KR100397365B1 - Process Integrating a Solid Oxide Fuel Cell and an Ion Transfer Reactor - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고체 산화 연료 전지 및 산소 함유 가스(전형적으로 공기)를 고체 산화 연료 전지의 제1 음극면으로 운반하고 가스 상태의 연료를 제1 양극면(anode side)으로 운반함으로써 전기력 및 생성 가스를 발생시키기 위한 적어도 하나의 이온 전달 반응기에 관한 것이다. 산소 이온은 제1 양극면으로 연료 전지안의 막을 통하여 전달되고 전기력과 열을 발생시키기 위하여 가스 상태의 연료와 발열 반응한다. 상기 열 및 산소 전달은, 잔여 산소의 실질적인 부분이 산소 선택적인 이온 전달 막을 통하여 전달되는 제1 이온 전달 반응기로 운반되는, 고체 산화 연료 전지의 음극면을 나가는, 고온의 감소된 산소를 함유하는 가스 상태의 보유(retentate) 흐름을 생성하고 생성 가스 흐름은 그 다음 회수된다.The present invention delivers the electric force and the generated gas by transporting the solid oxide fuel cell and the oxygen containing gas (typically air) to the first cathode side of the solid oxide fuel cell and the gaseous fuel to the first anode side. At least one ion transfer reactor for generating. Oxygen ions are transferred through the membrane in the fuel cell to the first anode surface and exothermicly react with the gaseous fuel to generate electrical forces and heat. The heat and oxygen transfer is a high temperature reduced oxygen containing gas exiting the cathode side of the solid oxide fuel cell, where a substantial portion of the residual oxygen is delivered to the first ion transfer reactor where it is delivered through an oxygen selective ion transfer membrane. Create a retentate flow of the state and the product gas stream is then recovered.

Description

고체 산화물 연료 전지 및 이온 전달 반응기를 집적하는 공정{Process Integrating a Solid Oxide Fuel Cell and an Ion Transfer Reactor}Process Integrating a Solid Oxide Fuel Cell and an Ion Transfer Reactor

본 발명은 전력 및 적어도 하나의 생성 가스의 공생성(co-production)을 위한 공정에 관한 것이다. 보다 구체적으로 공정은 고체 산화 연료 전지 및 이온 전달 반응기를 집적시킨다.The present invention relates to a process for co-production of power and at least one product gas. More specifically, the process integrates a solid oxide fuel cell and an ion transfer reactor.

전기력은 전통적으로 열역학적인 공정에 의하여 발생된다. 예를 들면, 열은 가압된 물을 과열시키기 위하여 보일러 안에서 기름을 연소시킴으로써 생성될 수 있다. 과열된 물은 기계적으로 터빈을 회전시키는 가압된 증기로 팽창된다. 적당한 자기장을 통하여 터빈에 연결된 발전기의 회전자의 회전자 와인딩(rotor winding)의 회전은 전기력을 발생시킨다.Electric forces are traditionally generated by thermodynamic processes. For example, heat can be generated by burning oil in a boiler to superheat pressurized water. The superheated water is expanded by pressurized steam which mechanically rotates the turbine. The rotation of the rotor windings of the rotor of the generator connected to the turbine through a suitable magnetic field generates an electric force.

종래의 전기력 발생은 열/기계적 과정을 이용하고 그 효율은 카르노 사이클에 의하여 제한된다. 카르노 사이클은 이상 조건하에서조차도 열기관이 공급된 열에너지 전부를 기계적 에너지로 전환할 수 없으므로 열에너지의 상당한 부분이 방출된다는 것을 규정한다. 카르노 사이클에서, 기관은 고온 열원으로부터 열에너지를 받아들이고 열에너지의 일부를 기계적 일로 전환하며 잔여 열에너지를 낮은 온도의 열흡수 저장조(heat sink)로 방출한다. 방출된 열에너지는 효율의 감소를 야기한다.Conventional electric force generation uses a thermal / mechanical process and its efficiency is limited by the Carnot cycle. The Carnot cycle stipulates that even under abnormal conditions, a significant portion of the thermal energy is released since the heat engine cannot convert all of the supplied thermal energy into mechanical energy. In the Carnot cycle, the engine receives heat energy from a high temperature heat source, converts some of the heat energy into mechanical work and releases the remaining heat energy into a low temperature heat sink. The heat energy released causes a decrease in efficiency.

전기를 발생시키는 다른 공정은 고체 산화물 연료 전지를 이용한다. 전기력은 열적/기계적 과정보다는 화학 반응에 의하여 방출되는 에너지를 직접 전기력으로 전환시켜 얻어진다. 결과적으로 고체 산화물 연료 전지는 카르노 사이클의 효율로 제한되지 않고 고효율 전기력 발생이 이론적으로 가능하다.Another process for generating electricity uses a solid oxide fuel cell. Electric forces are obtained by directly converting energy released by chemical reactions rather than thermal / mechanical processes. As a result, the solid oxide fuel cell is not limited to the efficiency of the Carnot cycle, and the generation of high efficiency electric force is theoretically possible.

고체 연료 전지는 도메라키(Domeracki)등에 의한 미국 특허 제5,413,879호에 개시되어 있다. 상기 특허는 연료실로부터 공기실을 분리하는 가스 밀봉 세라믹 막을 갖는 고체 산화물 연료 전지를 개시한다. 세라믹 막은 전형적으로 확산에 의하여 산소 이온을 선택적으로 전달하는 이트리아-안정된 지르코니아(yttria-stabilize zirconia)와 같은 세라믹 막 물질로부터 형성된 가스 밀봉 핵 부분을 갖는 3개의 층 합성물이다. 공기와 접촉하는 세라믹 막의 표면 부분은 스트론튬으로 도프 처리된 란탄 망가나이트(strontium-doped lanthanum manganite)로 제조되는 전극으로 코팅되어 있다. 연료와 접촉하는 세라믹 막의 반대 표면 부분은 니켈-지르코니아 서밋(nickel-zirconia cermete)인 연료 전극이다. 내부 접점은 몇 개의 전기 연료 전지를 직렬 또는 병렬로 연결하고 이온 플럭스에 의하여 생성된 전류를 회수하는 2개의 전극상에 제공된다. 적당한 고체 연료 전지는 아이젠버그의 미국 특허 제4,490,444호 및 제4,728,584호에 개시된다.Solid fuel cells are disclosed in US Pat. No. 5,413,879 to Domerakii et al. The patent discloses a solid oxide fuel cell having a gas sealed ceramic membrane separating the air chamber from the fuel chamber. Ceramic membranes are typically three layer composites having gas-sealed nucleus portions formed from ceramic membrane materials, such as yttria-stabilize zirconia, which selectively transfer oxygen ions by diffusion. The surface portion of the ceramic film in contact with air is coated with an electrode made of strontium-doped lanthanum manganite doped with strontium. The opposite surface portion of the ceramic membrane in contact with the fuel is a fuel electrode which is a nickel-zirconia cermete. Internal contacts are provided on two electrodes connecting several electrical fuel cells in series or in parallel and recovering the current generated by the ion flux. Suitable solid fuel cells are disclosed in US Pat. Nos. 4,490,444 and 4,728,584 to Eisenberg.

뜨거운 공기는 공기 전극과 접촉하고 산소는 연료 전극의 표면으로 세라믹 막을 통한 이온 전달에 의하여 공기로부터 분리된다. 가스 상태의 연료(전형적으로 천연 가스 또는 일산화탄소와 같은 경질 탄화수소)는 연료 전극면과 접촉하고 내부 에너지 손실의 결과로서 전기와 열을 생산하기 위하여 산소 이온과 발열 반응한다. 음극 또는 보유면으로부터 뜨겁고 부분적으로 산소가 고갈된 가스가 연료 전지를 빠져나가고, 양극 또는 투과면으로부터 반응 또는 연소 생성물이 연료 전지를 빠져나간다.Hot air contacts the air electrode and oxygen is separated from the air by ion transfer through the ceramic membrane to the surface of the fuel electrode. Gaseous fuels (typically light hydrocarbons such as natural gas or carbon monoxide) are in contact with the fuel electrode surfaces and exothermic with oxygen ions to produce electricity and heat as a result of internal energy losses. Hot, partially oxygen depleted gas exits the fuel cell from the cathode or retaining side, and reaction or combustion products exit the fuel cell from the anode or permeate side.

고체 산화물 연료 전지를 사용하여 전기력을 생성시키는 시스템은 (1)주로 전극에서의 내부 전기 손실 (2)공기가 가열되어야 하는 약700-1000℃ 범위의 고온 및 (3)전형적으로 이용 가능한 산소의 부피기준으로 20-30%와 거의 비슷한 정도로 뜨거운 공기 내에 함유된 산소의 일부분만이 가스 상태의 연료와 반응하기 위하여 세라믹 막을 통하여 전달된다는 사실을 포함하는 몇몇 요인 때문에 얻을 수 있는 효율은 제한된다. 산소의 잔여량은 공기실을 나가는 보유 흐름내에서 방출된다. 보유 및 투과 흐름으로 첨가된 에너지 부분은 압력 강하 및 추가적인 회복 열교환기(recuperative heat exchanger)의 제한된 유효도(effectiveness)의 결과로서 상실된다.Systems that generate electric forces using solid oxide fuel cells include (1) internal electrical losses at the electrodes, mainly (2) high temperatures in the range of about 700-1000 ° C. where air must be heated, and (3) volume of typically available oxygen. The efficiency achievable is limited because of several factors, including the fact that only a fraction of the oxygen contained in hot air is transferred through the ceramic membrane to react with the gaseous fuel to a level that is approximately 20-30% on the basis. The residual amount of oxygen is released in the holding stream exiting the air chamber. Part of the energy added to the holding and permeate flow is lost as a result of the pressure drop and the limited effectiveness of the additional recuperative heat exchanger.

도메라키에 의한 미국 특허 제5,413,879호는 공기실로부터 나오는 뜨거운 가스 보유물(hot gas retentate)을 가지고 연료실내의 화학 반응으로부터 나오는 반응 생성물을 결합시키고 그것을 연소기내에서 추가적인 연료로 반응시켜 혼합물의 온도를 상승시키는 것을 개시한다. 뜨거운 혼합물은 터빈을 구동시키는데 사용되는 압축 가스를 가열한다.U.S. Pat.No. 5,413,879 to Domeraki discloses the temperature of the mixture by combining the reaction product from the chemical reaction in the fuel chamber with the hot gas retentate from the air chamber and reacting it with additional fuel in the combustor. Start raising the. The hot mixture heats up the compressed gas used to drive the turbine.

몇 가지 형태의 이온 전달 막은 프라사드 등의 미국 특허 번호 제5,733,435호에 개시된다. 이온 전도도(ionic conductivity)만을 나타내는 막의 경우, 외부 전극은 막의 표면 위에 놓이고 전류는 외부 회로를 통해 되돌아온다. 혼합된 전도막내에서 전자는 내부적으로 음극면으로 전달됨으로써 회로를 완결하고 압력으로 구동되는 모드로 외부 전극에 대한 요구를 미리 제거한다. 이온 전도체가 전자 전도체와 함께 혼합되는 2중상 전도체는 또한 동일한 응용에 대하여 사용될 수 있다.Some types of ion transfer membranes are disclosed in US Pat. No. 5,733,435 to Prasard et al. In the case of membranes exhibiting only ionic conductivity, the outer electrode is placed on the surface of the membrane and current flows back through the outer circuit. In the mixed conductive film, the electrons are internally transferred to the cathode surface, thus completing the circuit and removing the need for the external electrode in advance in a pressure driven mode. Double-phase conductors in which ionic conductors are mixed with electron conductors can also be used for the same application.

마자넥등의 미국 특허 제4,793,904호는 전기 전도성 있는 층으로 양면상에 코팅되는 이온 전달막을 개시한다. 산소 함유 가스는 막의 한 면과 접촉한다. 산소 이온은 합성가스를 형성하기 위하여 이온이 메탄 또는 유사한 탄화수소와 반응하는 다른 면으로 막을 통하여 전달된다. 산소 이온에 의하여 방출되는 전자는 전도층으로부터 외부선으로 흐르고 전기를 발생시키기 위하여 이용될 수 있다.US Patent No. 4,793,904 to Mazaneck et al. Discloses an ion transfer membrane coated on both sides with an electrically conductive layer. The oxygen containing gas is in contact with one side of the membrane. Oxygen ions are transported through the membrane to the other side where the ions react with methane or similar hydrocarbons to form syngas. Electrons emitted by oxygen ions can be used to flow from the conducting layer to the outside line and generate electricity.

혼합된 전도체 형태막에서, 막은 산소 이온 및 전자를 선택적으로 전달할 수 있는 동력을 갖는다. 산소 이온에 의하여 방출된 전자의 제거를 위하여 회부 전기장을 제공할 필요는 없다. 마자넥 등의 미국 특허 제5,306,411호는 혼합된 전도체 및 2중상 전도체 막의 응용을 개시한다. 막은 이온 및 전자 전도성을 갖는 회티탄석(perovskite) 구조를 갖는 "단일상"의 혼합된 금속 산화물 또는 전자 전도성 상 및 이온 전도성 상의 다중상 혼합 중 어느 하나로 구성된다. 산소 이온 전달은 합성가스를 형성하고 질소 산화물 및 황산화물과 같은 도관(flue) 가스를 교정하기 위하여 유용한 것으로 개시된다.In mixed conductor morphology, the membrane has the power to selectively transfer oxygen ions and electrons. It is not necessary to provide an external electric field for the removal of electrons emitted by oxygen ions. US Patent 5,306,411 to Mazaneck et al. Discloses the application of mixed conductor and double phase conductor membranes. The membrane consists of either a "single phase" mixed metal oxide having a perovskite structure with ionic and electronic conductivity or a multiphase mixture of an electronic conductive phase and an ion conductive phase. Oxygen ion transfer is disclosed to be useful for forming syngas and for correcting flue gases such as nitrogen oxides and sulfur oxides.

강(Kang) 등의 미국 특허 제5,516,359호는 막과 고온 공정의 작동을 위하여 효과적으로 이용되는 고온 공정으로 집적되는 세라믹 이온 전달 막을 개시한다. 고온 압축 공기는 산소-선택적인 이온 전달 막과 접촉하고 공기내에 함유된 산소의 일부분은 막을 통하여 전달되고 생성 가스로서 제거된다. 산소가 고갈된 잔여 가스는 가스 상태의 연료와 결합되고 전형적으로 전기력 생성을 위하여 공기 압축기 및 발전기를 구동시키는 터빈을 구동시키는데 유용한 고온 가스를 생성하도록 반응된다.US Pat. No. 5,516,359 to Kang et al. Discloses a ceramic ion transport membrane integrated into a high temperature process that is effectively used for the operation of the membrane and the high temperature process. The hot compressed air is in contact with the oxygen-selective ion transport membrane and a portion of the oxygen contained in the air is delivered through the membrane and removed as product gas. Oxygen-depleted residual gas is combined with the gaseous fuel and reacted to produce hot gases that are typically useful for driving turbines that drive air compressors and generators for generation of electric forces.

그러나, 효율 향상을 달성하기 위하여 하나 이상의 생성 가스 및 전기력의 생성을 필요로 하는 보다 효율적인 고체 산화 연료 전지를 가지고 이온 전달 반응기를 집적시키는 공정에 대한 요구가 남아 있다.However, there remains a need for a process for integrating ion transfer reactors with more efficient solid oxide fuel cells that require the generation of one or more product gases and electrical forces to achieve efficiency improvements.

본 발명의 목적은 전기력 및 산소, 질소, 및 이산화탄소를 단일 또는 결합하여 함유하는 하나 이상의 생성 가스를 발생시키기 위한 공정을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a process for generating an electrical force and one or more product gases containing a single or a combination of oxygen, nitrogen, and carbon dioxide.

본 발명의 다른 목적은 그러한 공정이 이온 전달 반응기로 고체 산화물 연료 전지를 효율적으로 집적시키도록 하는 것이다. 이러한 목적은 고체 산화물 연료 전지 및 산소 이온 전달 막이 유사한 작동 온도를 갖는다는 사실에 의하여 도움을 받는다.Another object of the present invention is to allow such a process to efficiently integrate solid oxide fuel cells into an ion transfer reactor. This object is aided by the fact that solid oxide fuel cells and oxygen ion transport membranes have similar operating temperatures.

본 발명의 또 다른 목적은 공급 흐름으로서 고체 산화물 연료 전지를 나가는 흐름을 이용하고 보유면으로부터 나가는 흐름 및 선택적으로, 터빈을 구동시키는 산소-선택적인 이온 전달 막의 투과면으로부터 나가는 흐름을 이용하는 것이다.Another object of the present invention is to use the flow out of the solid oxide fuel cell as the feed flow and the flow out of the holding surface and optionally the flow out of the permeate side of the oxygen-selective ion transfer membrane driving the turbine.

본 발명의 또 다른 목적은 화학 에너지를 비효율적으로 전기 에너지로 전환하는 결과로서 연료 전지의 양극면 위에서 발생하는 열을 이용하여, 산소 전달 분리기의 음극면을 향하는 공급 가스를 막 작동 온도로 가열하는 것이다.Another object of the present invention is to heat the feed gas directed to the cathode side of the oxygen transfer separator to the membrane operating temperature, using heat generated on the anode side of the fuel cell as a result of inefficient conversion of chemical energy into electrical energy. .

본 발명의 또 다른 목적은 반응적으로(reactively) 세척된 이온 전달 막의 양극면과 직렬로 연료 전지의 양극면을 두고 초과 연료를 연료 전지의 양극 흐름으로 추가하여 세척(purge) 흐름내의 반응물로서 이용하고, 이로써 연료 전지 에너지 전환 효율을 상승시키는 것이다.Another object of the present invention is to use the anode side of the fuel cell in series with the anode side of the reactively washed ion transfer membrane and add excess fuel to the anode flow of the fuel cell to use as a reactant in the purge flow. This increases the fuel cell energy conversion efficiency.

도1은 본 발명에 따른 세라믹 막 이온 전달 반응기로 집적되는(integrated) 고체 산화물 연료 전지를 보여주는 개략도이다.1 is a schematic diagram showing a solid oxide fuel cell integrated into a ceramic membrane ion transfer reactor according to the present invention.

도2는 전력과 산소의 공생성(co-production)을 위하여 집적된 시스템을 보여주는 개략도이다.2 is a schematic diagram showing an integrated system for co-production of power and oxygen.

도3은 전력 및 석탄 기화에 유용한 산소와 증기의 공생성을 위하여 집적된 시스템을 보여주는 개략도이다.Figure 3 is a schematic diagram showing an integrated system for the coexistence of oxygen and steam useful for power and coal vaporization.

도4는 전력과 질소의 공생성을 위하여 집적된 시스템을 보여주는 개략도이다.4 is a schematic diagram showing an integrated system for coexistence of power and nitrogen.

도5는 전력, 산소, 및 질소의 공생성을 위한 집적된 시스템을 보여주는 개략도이다.5 is a schematic diagram showing an integrated system for coexistence of power, oxygen, and nitrogen.

도6은 전력, 산소, 및 질소의 공생성을 위하여 집적된 시스템을 보여주는 개략도이다.6 is a schematic diagram showing an integrated system for coexistence of power, oxygen, and nitrogen.

도7은 필연적으로 산소가 유리된(oxygen-free) 질소의 생성을 위하여 집적된시스템을 보여주는 개략도이다.7 is a schematic diagram showing an integrated system for the production of oxygen-free nitrogen inevitably.

본 발명은 산소 함유 가스 및 기체 상태의 연료로부터 전기력 및 하나 이상의 생성 가스를 발생시키기 위한 공정으로 이루어져 있다. 고체 산화물 연료 전지는 제1 음극 또는 보유면 및 제1 양극 또는 투과면을 갖도록 제공된다. 제1 이온 전달 반응기는 그 안에 산소 선택적인 이온 전달 막이 위치해있고 상기 막은 제2 음극 또는 보유면 및 제2 양극 또는 투과면을 갖는다. 산소 함유 가스는 제1 음극면과 접촉되어 있고 기체 상태의 연료는 제1 산소 부분이 제1 음극면으로부터 제1 양극면까지 산소 이온으로 전달되도록 야기하는 제1 양극면과 접촉되어 있다. 산소 이온은 기체 상태의 연료와 반응하고 열 및 전기력으로서 회수되는 전자 흐름을 발생시킨다. 잔여 산소를 갖는 보유 가스는 고체 산화 연료 전지의 제1 음극면으로부터 제2 산소 부분이 세라믹 막을 통하여 제2 양극면으로 전달되도록 야기하는 제1 이온 전달 반응기의 제2 음극면으로 향한다. 적어도 하나의 생성 가스는 각각 제1 및 제2 양극면과 음극면으로부터 회수된다.The present invention consists of a process for generating electrical force and one or more product gases from an oxygen containing gas and a gaseous fuel. The solid oxide fuel cell is provided to have a first cathode or retention surface and a first anode or transmission surface. The first ion transfer reactor is located therein with an oxygen selective ion transfer membrane and the membrane has a second cathode or retention surface and a second anode or transmission surface. The oxygen containing gas is in contact with the first cathode surface and the gaseous fuel is in contact with the first anode surface causing the first oxygen portion to be transferred as oxygen ions from the first cathode surface to the first anode surface. Oxygen ions react with the gaseous fuel and generate an electron stream that is recovered as heat and electric force. Retention gas with residual oxygen is directed from the first negative electrode face of the solid oxide fuel cell to the second negative electrode face of the first ion transfer reactor, causing the second oxygen portion to be transferred through the ceramic membrane to the second positive electrode face. At least one product gas is recovered from the first and second anode surfaces and cathode surfaces, respectively.

바람직한 구체예에서, 산소 함유 가스는 공기이고 제1 음극면과 접촉하기 전에 압축된다. 산소는 제2 양극면으로부터 회수된다. 회복 열교환기는 발열 반응산출물로부터 상기 산소 함유 가스 및 상기 고체 산화물 연료 전지의 제1 기체 상태의 연료의 상류흐름으로 열을 전달한다.In a preferred embodiment, the oxygen containing gas is air and compressed before contacting the first cathode surface. Oxygen is recovered from the second anode surface. A recovery heat exchanger transfers heat from the exothermic reaction product to the upstream of the first gaseous fuel of the oxygen containing gas and the solid oxide fuel cell.

또 다른 바람직한 구체예에서 연료 전지 안에서 생성된 열은 양극면 반응에서 화학 에너지의 전기 에너지로의 불충분한 전환의 결과로서 공기 흐름을 산소 전달막이 작동하는 온도까지 가열하도록 요구되는 적어도 에너지의 부분을 공급한다. 증기는 제2 양극면에 대한 스위프(sweep) 가스로서 사용되고 제2 양극면 투과물은 석탄 기화에 이용되는 증기 및 산소의 혼합물로 이루어진다. 세척 가스는 제2 양극면과 접촉하고 낮은 산소를 함유하는 질소 가스는 생성 가스로서 회수된다.In another preferred embodiment the heat generated in the fuel cell supplies at least a portion of the energy required to heat the air stream to the temperature at which the oxygen transfer membrane operates as a result of insufficient conversion of chemical energy into electrical energy in the anodic reaction. do. The vapor is used as a sweep gas for the second anode side and the second anode side permeate consists of a mixture of steam and oxygen used for coal vaporization. The cleaning gas is in contact with the second anode surface and the nitrogen gas containing low oxygen is recovered as the product gas.

또 다른 바람직한 구체예에서 연료 전지의 양극면에서 생성되는 반응 생성물은 산소 전달 분리기의 양극을 세척하는데 사용된다. 제2 반응적으로 세척되는 이온 전달 반응기는 고체 산화물 연료 전지 및 제1 이온 전달 반응기 사이에 위치된다.In another preferred embodiment the reaction product produced at the anode side of the fuel cell is used to clean the anode of the oxygen transfer separator. A second reactively washed ion transfer reactor is located between the solid oxide fuel cell and the first ion transfer reactor.

바람직한 구체예에서 반응적으로(reactively) 세척되는 산소 전달 반응기내에서 요구되는 연료는 연료 전지 및 연료 전지의 양극면으로 연료 공급에 추가되고 상기 이온 전달 반응기는 직렬로 놓임으로써 연료 전지의 효율을 증대시킨다. 압력하의 질소 생성 가스 또는 고체 산화 연료 전지에 의하여 생성되는 전기력 중 어느 하나는 산소 함유 가스를 압축하는 압축기를 구동시키는데 사용된다.In a preferred embodiment the fuel required in the reactively washed oxygen transfer reactor is added to the fuel supply to the anode side of the fuel cell and the fuel cell and the ion transfer reactors are placed in series to increase the efficiency of the fuel cell. Let's do it. Either of the electric force generated by the nitrogen generating gas or the solid oxide fuel cell under pressure is used to drive a compressor that compresses the oxygen containing gas.

본 발명은 고체 산화물 연료 전지를 세라믹 막 이온 전달 반응기로 집적시킴으로써 달성될 수 있다. 바람직하게, 터빈은 집적 시스템을 나가는 하나 이상의 흐름으로 작동된다. 압축된 공기는, 공기안에 함유된 산소의 제1 부분이 연소 생성물과 전기를 발생시키기 위하여 세라믹 막을 통하여 전달되고 연료 가스와 발열 반응하는 고체 산화물 연료 전지로 운반된다. 감소된 산소-함유 보유 흐름은 고체 산화물 연료 전지의 음극으로부터 산소 선택적인 이온 전달 막을 갖는 이온 전달 반응기의 음극으로 방출된다. 공기 내에 함유된 산소의 제2 부분은 산소 선택적인 이온 전달 막을 통하여 전달되고 생성 가스로서 회수되거나 하류 반응에서 이용될 수 있다. 이온 전달막으로부터의 보유물은 실질적으로 산소가 고갈되는 동안에도 여전히 충분한 산소를 함유할 수 있어서 그것은 어떤 구체예에서는 기체 상태의 연료와 혼합되고 터빈을 구동시키기 위한 고온 가스를 생성하도록 연소된다. 선택적으로, 질소는 산소 고갈 흐름으로부터 회수된다.The present invention can be accomplished by integrating a solid oxide fuel cell into a ceramic membrane ion transfer reactor. Preferably, the turbine is operated with one or more flows exiting the integrated system. Compressed air is conveyed to a solid oxide fuel cell in which a first portion of oxygen contained in the air is passed through a ceramic membrane to generate combustion products and electricity and exothermicly reacts with the fuel gas. The reduced oxygen-containing retention flow is discharged from the cathode of the solid oxide fuel cell to the cathode of the ion transfer reactor having an oxygen selective ion transfer membrane. The second portion of oxygen contained in the air is delivered through an oxygen selective ion transport membrane and can be recovered as product gas or used in a downstream reaction. The retentate from the ion transfer membrane may still contain sufficient oxygen even while oxygen is depleted so that in some embodiments it is mixed with gaseous fuel and burned to produce hot gases for driving the turbine. Optionally, nitrogen is recovered from the oxygen depletion stream.

도1은 본 발명에 따른 고체 산화물 연료 전지(10) 및 제1 이온 전달 반응기(11)를 집적시키는 공정을 개략적으로 보여준다. 고체 산화물 연료 전지(10)는 고체 산화물 연료 전지(10)를 제1 음극면(14)과 제1 양극면(16)으로 나누는 세라믹 막(12)을 갖는다.1 schematically shows a process for integrating a solid oxide fuel cell 10 and a first ion transfer reactor 11 according to the invention. The solid oxide fuel cell 10 has a ceramic film 12 that divides the solid oxide fuel cell 10 into a first cathode surface 14 and a first anode surface 16.

세라믹 막(12)은 산소-선택적이고 제1 음극면(14)으로부터 제1 양극면(16)으로 산소 이온을 전달한다. 세라믹 막(12)을 위한 적당한 물질은 이트리아-안정된 지르코니아(ytria-stabilized zirconia)이다. 다공성 공기 전극(18)은 실질적으로 제1 음극면(14)의 전부를 덮는다. 공기 전극(18)을 위한 적당한 물질은 스프론튬으로 도프 처리한 란탄 망가나이트이다. 제1 상호 연결 부분(22)은 공기 전극(18)으로 코팅되지 않고 부하(24)와 전기적으로 연결되어 있다. 산소 이온은 전기적 상호 연결 부분을 제외한 다공성 연료 전극(26)으로 코팅된 제1 양극면(16)으로 세라믹 막(12)을 통하여 전달된다. 연료 전극(26)은 분극으로 인한 손실을 효과적으로 최소화하고 니켈-지르코니아 서밋(cermete)과 같은 감소하는 기압에서도 안정되는 물질로 제조된다.The ceramic film 12 is oxygen-selective and transfers oxygen ions from the first cathode surface 14 to the first anode surface 16. Suitable material for the ceramic film 12 is yttria-stabilized zirconia. The porous air electrode 18 substantially covers all of the first cathode surface 14. Suitable material for the air electrode 18 is lanthanum manganite doped with strontium. The first interconnect portion 22 is not coated with the air electrode 18 and is electrically connected to the load 24. Oxygen ions are transported through the ceramic membrane 12 to the first anode surface 16 coated with the porous fuel electrode 26 except for the electrical interconnect portion. The fuel electrode 26 is made of a material that effectively minimizes losses due to polarization and is stable even at decreasing air pressures such as nickel-zirconia cermete.

산소-함유 가스 공급(28)은 제1 음극면(14)으로 운반되고 기체 상태의 연료(30)는 제1 양극면으로 운반된다.Oxygen-containing gas supply 28 is conveyed to the first cathode surface 14 and gaseous fuel 30 is conveyed to the first anode surface.

산소 함유 가스 공급(28)은 전형적으로 공기이고, 연료 전지 반응에 의하여 생성된 열에 대한 열흡수 저장조로서 작동하도록 연료 전지의 작동 온도의 다소 아래(전형적으로 200-700℃ 아래)의 온도에서 연료 전지의 음극면으로 운반된다. 고체 산화물 연료 전지(10)의 작동 온도는 전형적으로 500℃ 이상의 온도이고 바람직하게는 약700-1000℃ 범위내이다. 공급 공기내의 산소 분자는 공기 전극(18)과 접촉되자마자 원소 산소로 해리된다. "원소 산소"는 주기율표의 다른 원소와 결합되지 않는 산소를 가리킨다. 전형적으로 2원자 형태이나 여기에서 사용되는 원소 산소라는 용어는 단일 산소 원자, 3원자로 이루어진 오존 및 다른 원소와 결합되지 않은 다른 형태를 포함한다. 공기는 산소 함유 가스 공급(28)으로서 적합하다.Oxygen-containing gas supply 28 is typically air and the fuel cell at a temperature slightly below the operating temperature of the fuel cell (typically below 200-700 ° C.) to operate as a heat absorption reservoir for heat generated by the fuel cell reaction. Is transported to the cathode side. The operating temperature of the solid oxide fuel cell 10 is typically at least 500 ° C. and preferably in the range of about 700-1000 ° C. Oxygen molecules in the supply air dissociate into elemental oxygen as soon as they come into contact with the air electrode 18. "Elemental oxygen" refers to oxygen that is not bonded to other elements of the periodic table. Typically the term biatomic form, or the term elemental oxygen, as used herein, includes a single oxygen atom, ozone consisting of triatoms, and other forms not bound to other elements. Air is suitable as oxygen-containing gas supply 28.

산소-함유 가스 공급(28)은 압축기(32)에 의하여 되도록 30-300 psia의 압력, 더 바람직하게는 100-230 psia의 압력으로 압축된다. 압축된 산소 함유 가스 공급은 되도록 약300-800℃의 중간 온도, 바람직하게는 약500-700℃의 온도까지 가열되고 제1 음극면(14)으로 운반된다. 연료 전지 및 산소 전달 막 작동 온도까지 공급 공기를 최종적으로 가열하는 것은 전기 에너지로 전환되지 않고 열로써 방출되는 양극면 반응의 화학 에너지 부분에 의하여 연료 전지내에서 일어나고다음에(in turn) 상기 열은 요구 수준까지 공급 흐름의 온도를 상승시키도록 전달된다.The oxygen-containing gas supply 28 is compressed by the compressor 32 to a pressure of 30-300 psia, more preferably 100-230 psia. The compressed oxygen-containing gas supply is heated to a temperature of about 300-800 ° C., preferably about 500-700 ° C., and conveyed to the first cathode surface 14 as much as possible. The final heating of the feed air to the fuel cell and oxygen transfer membrane operating temperature takes place in the fuel cell by the chemical energy portion of the bipolar reaction which is released as heat without being converted into electrical energy and in turn the heat It is delivered to raise the temperature of the feed stream to the required level.

기체 상태의 연료(30)는 원소 산소와 발열 반응하는 성분을 갖는 가스들 중 어느 하나 또는 이들의 결합이다. 반응하는 성분은 천연 가스 또는 경질 탄화수소, 메탄, 일산화탄소 또는 합성 가스("syngas")일 수 있다. 합성 가스는 H2/CO의 몰 비가 약0.6-6을 갖는 수소 및 일산화탄소의 혼합물이다. 연료 전지내에서 바람직하지 않을 수 있는 또 다른 연료 가스의 성분은 질소, 이산화탄소 또는 증기와 같은 비반응 희석 가스이다.The gaseous fuel 30 is any one or combination of gases having a component exothermic with elemental oxygen. The reacting component may be natural gas or light hydrocarbons, methane, carbon monoxide or syngas ("syngas"). Syngas is a mixture of hydrogen and carbon monoxide with a molar ratio of H 2 / CO of about 0.6-6. Another fuel gas component that may be undesirable in a fuel cell is an unreacted diluent gas such as nitrogen, carbon dioxide or steam.

기체 상태의 연료(30)는 약300-900℃의 온도까지 예열되고 제1 양극면(16)으로 도입된다. 기체 상태의 연료(30)의 반응 성분들은 원소 산소와 발열 반응한다. 산소 이온에 의하여 방출된 전자(34)는 부하(24)로 전기력을 제공한다.The gaseous fuel 30 is preheated to a temperature of about 300-900 ° C. and introduced into the first anode surface 16. The reaction components of the gaseous fuel 30 exothermicly react with elemental oxygen. Electrons 34 released by the oxygen ions provide electrical force to the load 24.

산소 함유 가스 공급(28)내에 함유된 산소의 일부분은 제1 양극면(16)에서 반응에 의하여 소비된다. 감소된 산소 함유를 갖는 보유 흐름(38)은 제1 이온 전달 반응기(11)의 일부분인 제2 음극면(40)으로 통한다.A portion of the oxygen contained in the oxygen containing gas supply 28 is consumed by the reaction at the first anode surface 16. Retention stream 38 with reduced oxygen content leads to a second cathode surface 40 that is part of the first ion transfer reactor 11.

제1 이온 전달 반응기(11)는 제1 이온 전달 반응기(11)를 제2 음극면(40) 및 제2 양극면(50)으로 분리하는 산소-선택적인 이온 전달 막을 갖는다. "산소-선택적인"의 의미는 산소 이온이 다른 원소 및 그것들의 이온에 비하여 제2 음극면(40)부터 제2 양극면(50)으로 산소-선택적인 이온 전달막(44)을 가로질러 선택적으로 전달되는 것을 의미한다. 산소-선택적인 이온 전달 막(44)은 칼슘- 또는이트리움-안정된 지르코니아(yttrium-stabilized zirconia)로 유형화된 무기 산화물로 만들어진다. 일반적으로 400℃를 넘는 상승된 온도에서, 산소-선택적인 이온 전달 막(44)은 막을 통한 산소 이온의 선택적인 전달을 위한 전도 영역을 공급하는 이동성이 있는 산소-이온 공간을 함유한다. 막을 통한 전달은 막 양면의 산소(Po2)의 부분압의 비에 의하여 구동된다. O2-이온은 높은 Po2를 갖는 면으로부터 낮은 Po2를 갖는 면으로 흐른다. O2의 O2-로의 이온화는 제2 음극면(40)에서 일어나고 이온은 O2가 생성 가스로서 회수될 수 있는 제2 양극면(50)으로 전달된다.The first ion transfer reactor 11 has an oxygen-selective ion transfer membrane that separates the first ion transfer reactor 11 into a second cathode surface 40 and a second anode surface 50. The term "oxygen-selective" means that oxygen ions are selective across the oxygen-selective ion transport membrane 44 from the second cathode surface 40 to the second anode surface 50 relative to other elements and their ions. Means to be delivered. The oxygen-selective ion transfer membrane 44 is made of an inorganic oxide typed with calcium- or yttrium-stabilized zirconia. At elevated temperatures, generally above 400 ° C., the oxygen-selective ion transfer membrane 44 contains a mobile oxygen-ion space that supplies a conducting region for the selective transfer of oxygen ions through the membrane. Delivery through the membrane is driven by the ratio of the partial pressure of oxygen (P o2 ) on both sides of the membrane. O 2- ions flow from the side with high PO to the side with low PO . Ionization of O 2 to O 2- to the second taking place at the cathode side 40, ions are transferred to the second anode side 50, which may be recovered as product gas is O 2.

산소-선택적인 이온 전달 막(44)은 밀도가 높은 혼합된 벽 고체 산화물 또는 2중상 전도체 중의 하나 또는 선택적으로, 다공성 기질에 지탱하는 얇은 필름 형태의 혼합된 고체 산화물 또는 2중상 전도체로 형성된다. 산소-선택적인 이온 전달 막(44)은 5000마이크론 이하의 명목상의 두께를 갖고 바람직하게는 1000마이크론 이하의 두께이다.Oxygen-selective ion transfer membrane 44 is formed of either a dense mixed wall solid oxide or a biphasic conductor, or optionally a mixed solid oxide or biphasic conductor in the form of a thin film that supports a porous substrate. The oxygen-selective ion transfer membrane 44 has a nominal thickness of 5000 microns or less and is preferably 1000 microns or less.

산소 부분압의 비율에 의하여 야기된 화학 포텐셜의 차이는 이온 전달 막의 표면을 가로질러 유지될 때, 약450-1200℃의 온도 범위 내에서 산소-선택적인 이온 전달 막(44)은 우세한 부분압에서 산소 이온과 전자를 전달한다. 산소 이온 전도도는 전형적으로 0.01-100S/Cm의 범위이며, S("지멘스")는 옴(ohm)의 역수(1/Ω)이다. 산소-선택적인 이온 전달 막을 위한 적당한 물질은 미국 특허 번호 제5,733,435호의 표2에 나열된 바와 같이 회티탄석(perovskite) 및 2중상 금속-금속 산화물 결합으로 이루어진다. 마자넥의 미국 특허 제5,702,999호 및 캘로란 등의 제5,712,220호에 개시된 물질을 본다. 높은 이온 전도도를 갖는 물질(900℃에서 적어도 0.5, 바람직하게는 1S/Cm)은 산소 전달을 위한 구동력이 전형적으로 작기 때문에(<100) 막(44)에 적합하다. 적당한 물질은 란탄, 스트론튬 및 코발트 산화물의 혼합물이다.When the difference in chemical potential caused by the ratio of oxygen partial pressure is maintained across the surface of the ion transport membrane, the oxygen-selective ion transport membrane 44 within the temperature range of about 450-1200 ° C. causes oxygen ions at a prevailing partial pressure. And pass electrons. Oxygen ion conductivity typically ranges from 0.01-100 S / Cm and S (“Siemens”) is the inverse of ohms (1 / Ω). Suitable materials for oxygen-selective ion transfer membranes consist of perovskite and biphasic metal-metal oxide bonds as listed in Table 2 of US Pat. No. 5,733,435. See the materials disclosed in US Pat. No. 5,702,999 to Mazaneck and 5,712,220 to Callaran et al. Materials with high ionic conductivity (at least 0.5 at 900 ° C., preferably 1 S / Cm) are suitable for the membrane 44 because the driving force for oxygen transfer is typically small (<10 0 ). Suitable materials are mixtures of lanthanum, strontium and cobalt oxides.

밀도가 높은 막 층의 물질과 같은 회티탄석(perovskite) 물질로 만들어지는 구체예에서 선택적으로 다공성 촉매 층이, 표면 위의 화학 반응내에서 산소 표면 교환을 향상시키기 위하여 산소-선택적인 이온 전달 막(44)의 하나 또는 양쪽면에 첨가된다. 선택적으로, 산소-선택 이온 전달 막(44)의 표면 층이 표면 교환 운동을 증대시키기 위하여, 예를 들면, 코발트로 도프(dope) 처리될 수 있다.In embodiments made of perovskite material, such as the material of a dense membrane layer, optionally the porous catalyst layer is an oxygen-selective ion transport membrane to enhance oxygen surface exchange in chemical reactions on the surface. It is added to one or both sides of (44). Optionally, the surface layer of the oxygen-selective ion transfer membrane 44 may be doped with, for example, cobalt to enhance surface exchange movement.

제1 이온 전달 반응기(11)는 산소-선택적인 이온 전달 막(44)을 통하여 산소 전달을 용이하게 하는 충분히 상승된 온도에서 작동된다. 작동 온도는 적어도 400℃, 바람직하게는 약400-1200℃의 범위내이고 최적으로는 약400-1000℃의 범위이다.The first ion transfer reactor 11 is operated at a sufficiently elevated temperature to facilitate oxygen transfer through the oxygen-selective ion transfer membrane 44. The operating temperature is in the range of at least 400 ° C., preferably about 400-1200 ° C. and optimally in the range of about 400-1000 ° C.

체적 기준으로, 감소된 산소 가스 공급 산출물에 보유된 산소의 약30-60%는 산소-선택적인 이온 전달 막(44)을 통하여 전달되고 산소 생성 가스(52)로 회수된다. 회수될 수 있는 산소의 백분율은 제2 음극면(40) 및 제2 양극면(50)에서 각각의 산소 부분압에 의존한다. 회수되는 산소의 백분율은 제2 양극면에서 스위프(sweep) 가스의 사용 또는 진공 펌핑의 사용에 의하여 산소 부분 압력을 감소시킴으로써 증대될 수 있다.On a volume basis, about 30-60% of the oxygen retained in the reduced oxygen gas feed output is delivered through the oxygen-selective ion transfer membrane 44 and recovered to the oxygen product gas 52. The percentage of oxygen that can be recovered depends on the respective partial pressures of oxygen at the second cathode surface 40 and the second anode surface 50. The percentage of oxygen recovered can be increased by reducing the oxygen partial pressure by the use of a sweep gas or vacuum pumping on the second anode surface.

세척(purge) 가스는 천연 가스, 메탄, 메탄올, 에탄올 및 수소와 같은 산소 제거 가스이다. 스위프(sweep) 가스는 산소 부분압을 감소시키는 비반응성 가스이다. 적당한 스위프 가스는 이산화탄소 및 증기를 포함한다.Purge gases are oxygen removal gases such as natural gas, methane, methanol, ethanol and hydrogen. Sweep gas is a non-reactive gas that reduces the oxygen partial pressure. Suitable sweep gases include carbon dioxide and steam.

선택적으로 산소가 고갈된 보유 흐름(54)은 터빈 동력(64)을 발생시키기 위하여 터빈(62)내에서 직접 팽창되거나 우선 연소기(56)로 운반되고 제2 기체 상태의 연료(58)와 반응할 수 있다. 연소 생성물(60)은 터빈 축 동력(64)을 발생시키도록 터빈(62)을 구동시키는데 사용될 수 있는 저산소 함유 고온 가스이다.Optionally, the oxygen depleted retention flow 54 may be expanded directly within the turbine 62 or first delivered to the combustor 56 to react with the fuel 58 in the second gaseous state to generate turbine power 64. Can be. Combustion product 60 is a low oxygen containing hot gas that can be used to drive turbine 62 to generate turbine shaft power 64.

도1에서 나타난 공정의 효율은 도2에서 개략적으로 나타난 배열(arrangement)에 의하여 향상될 수 있다. 회복 열교환기(66)는 생성 가스(52), 고체 산화물 연료 전지(10)의 연소 생성물(68), 및 연소기(58)의 연소 생성물(60)과 같은 상승된 온도의 가스로부터 방출된 열을 회수한다. 선택적으로, 산소가 고갈된 산출물(54)은 연소기(56)를 우회하고 열을 회복 열교환기(66)로 방출한다. 열은 산소-함유 가스 공급(28) 및 기체 상태의 연료(30)의 온도를 상승시키는데 사용된다.The efficiency of the process shown in FIG. 1 can be improved by the arrangement schematically shown in FIG. Recovery heat exchanger 66 receives heat released from elevated temperature gases such as product gas 52, combustion product 68 of solid oxide fuel cell 10, and combustion product 60 of combustor 58. Recover. Optionally, oxygen-depleted output 54 bypasses combustor 56 and dissipates heat to recovery heat exchanger 66. Heat is used to raise the temperature of the oxygen-containing gas supply 28 and the gaseous fuel 30.

연소 생성물(68)은 도2에 나타난 바와 같이 폐열의 회수 후에 방출된다. 선택적으로, 연소 생성물(68)은 산소 전달 및 회수를 증대시키기 위하여 화살표 68a로 점선으로 보이듯이 스위프 가스로서 제2 양극면(50)으로 통하게된다. 이 선택적인 구체예에서, 생성 가스(52)는 산소, 물, 및 이산화탄소를 함유한다. 물로 응축된 후에 이산화탄소에 의하여 희석되는 낮은 순도의 산소가 회수된다. 원한다면, 산소 및 이산화탄소 생성 가스는 열적 스윙(swing) 흡착 또는 고분자 막과 같은 하류 공정에 의하여 분리될 수 있다.Combustion product 68 is released after recovery of waste heat, as shown in FIG. Optionally, the combustion product 68 is led to the second anode surface 50 as a sweep gas as shown by the dashed line with arrow 68a to increase oxygen transfer and recovery. In this optional embodiment, the product gas 52 contains oxygen, water, and carbon dioxide. After condensation with water, low purity oxygen, which is diluted by carbon dioxide, is recovered. If desired, the oxygen and carbon dioxide generating gases can be separated by downstream swing adsorption or downstream processes such as polymer membranes.

반응(reactive) 세척 설비는 1995년 12월 5일 출원된 미국특허 출원번호 제08/567,699호 및 유럽 공보 제778,069호의 "고체 전해질 막 가스 분리를 위한 반응 세척"에 개시되어 있다. 반응 세척을 이용하는 이온 전달 모듈을 위한 적합한 구성은 1997년 4월 29일 출원된 미국특허 출원번호 제08/848,204호의 "고체 전해질 이온 전도체 반응기 설계"에 개시되어 있다.Reactive washing equipment is disclosed in US Pat. Appl. No. 08 / 567,699 and European Patent No. 778,069, “Reaction Washing for Solid Electrolyte Membrane Gas Separation,” filed December 5, 1995. Suitable configurations for ion transfer modules using reaction washes are disclosed in US Pat. Appl. No. 08 / 848,204, "Solid Electrolyte Ion Conductor Reactor Design," filed April 29,1997.

도2에서 산소가 고갈된 보유물은 체적 기준으로 잔여 산소의 6-12%를 함유하고 회복 열교환기(66)로 열을 방출한 수에 배출되거나(70), 선택적으로 산소가 고갈된 보유물의 일부분(70') 또는 전부가 동력을 회수하기 위하여 터빈(62)내에서 확장된다.Oxygen-depleted retentate in FIG. 2 is discharged to water containing 6-12% of the residual oxygen on a volume basis and dissipated heat to recovery heat exchanger 66, or optionally oxygen-depleted retentate. A portion 70 'or all of it is expanded in turbine 62 to recover power.

산소가 고갈된 보유물(54)은 약간의 잔여 산소를 함유하고 있기 때문에, 연소기(56)가 터빈(62)의 상류 흐름에 삽입될 수 있고 산소가 고갈된 보유물은 터빈(62)의 입구 온도를 1100-1500℃사이까지 상승시키기 위하여 제2 기체 상태의 연료(58)와 반응하여 생성 동력 및 시스템의 열역학적 효율을 증대시킬 수 있다.Since the oxygen depleted retentate 54 contains some residual oxygen, the combustor 56 can be inserted into the upstream of the turbine 62 and the oxygen depleted retentate is inlet of the turbine 62. In order to raise the temperature to between 1100-1500 ° C., it may react with the fuel 58 in the second gas phase to increase the production power and the thermodynamic efficiency of the system.

연소기(56)가 없거나 확장된 흐름(60)이 너무 낮은 온도에 있게되면 도2에 나타난 집적 시스템의 작동을 유지시키는데 요구되는 에너지는 고체 산화물 연료 전지(10)내에서 발생된 열에 의하여 공급된다. 생성열의 양은 화학 에너지의 전기 에너지로의 전환에 있어서 고체 산화물 연료 전지(10)의 효율에 의존한다. 이 효율은, 만약 고체 산화물 연료 전지(10)에 의하여 발생하는 열이 부적당하면흐름(54)내에 함유된 열의 많은 부분이 산소 함유 가스 공급(28) 및 기체 상태의 연료(30)를 예열하기 위하여 회복 열교환기(66)내에서 사용되어야 하기 때문에 터빈(62)내에서 팽창될 수 있는 산소가 고갈된 보유 흐름(54) 부분(70')을 차례로 규정한다.If the combustor 56 is missing or the extended flow 60 is at a too low temperature, the energy required to maintain the operation of the integrated system shown in FIG. 2 is supplied by the heat generated within the solid oxide fuel cell 10. The amount of generated heat depends on the efficiency of the solid oxide fuel cell 10 in converting chemical energy into electrical energy. This efficiency is such that if the heat generated by the solid oxide fuel cell 10 is inadequate, a large portion of the heat contained in the flow 54 may preheat the oxygen containing gas supply 28 and the gaseous fuel 30. It defines, in turn, the portion 70 'of the depleted retention flow 54 that can be expanded in the turbine 62 because it must be used in the recovery heat exchanger 66.

선택적인 구체예에서 회복 열교환기(66)는 산소 함유 가스 공급(28) 및 기체 상태의 연료(30)를 예열하기 위하여 고체 산화 연료 전지(10)의 상류 흐름에 위치하는 연소기(보이지 않음)에 의하여 대치된다.In an alternative embodiment, the recovery heat exchanger 66 is provided to a combustor (not shown) located upstream of the solid oxide fuel cell 10 for preheating the oxygen containing gas supply 28 and the gaseous fuel 30. Is replaced by.

도3은 산소 및 증기를 석탄 기화기로 공급하는 집적 시스템의 응용을 개략적으로 보여준다. 1997년 11월 18일 출원된 미국특허 출원번호 제08/972,412호에 개시된 바와 같이 석탄 기화기는 전형적으로 약 1:2의 몰 비 및 상승된 압력에 있는 증기 및 산소를 요한다.3 schematically illustrates the application of an integrated system for supplying oxygen and steam to a coal vaporizer. Coal vaporizers typically require steam and oxygen at a molar ratio of about 1: 2 and elevated pressure, as disclosed in US Patent Application No. 08 / 972,412, filed November 18,1997.

상기 구체예에서, 공기 흐름(28), 연료 흐름(30), 및 연료 전지(10)로부터의 연소 생성물 흐름(68)은 도2의 것과 유사하다. 도3에서 모듈(11)의 보유 흐름(54)은 열교환기(66) 및/또는 연소기(56') 및 터빈(62')을 통해 직접 통과한다. 모듈(11)의 제2 양극면(50)은 제2 양극면(50)위의 평균 산소 부분압을 낮춤으로써 산소-선택적인 이온 전달 막(44)을 통한 산소 전달을 증가시키도록 증기(72)로 스위프된다. 증기 스위핑(sweeping)의 장점은 1997년 11월 18일 출원된 미국 특허 출원 번호 제08/972,020호에 개시된다.In this embodiment, the air stream 28, the fuel stream 30, and the combustion product stream 68 from the fuel cell 10 are similar to that of FIG. 2. In FIG. 3, the retention flow 54 of the module 11 passes directly through the heat exchanger 66 and / or the combustor 56 ′ and the turbine 62 ′. The second anode surface 50 of the module 11 allows steam 72 to increase oxygen transfer through the oxygen-selective ion transfer membrane 44 by lowering the average oxygen partial pressure on the second anode surface 50. Is swept The advantages of steam sweeping are disclosed in US patent application Ser. No. 08 / 972,020, filed November 18,1997.

증기(72)는 연료 전지/이온 전달 모듈 시스템으로 집적되는 공정 루프(73)의 일부분이다. 공급되는 물(74)은 펌프(76)에 의하여 요구되는 압력까지, 전형적으로 150-600 psia에 거의 비슷하게 펌프되고, 증기(72)를 생성하기 위하여 회복 열교환기(66)내에서처럼 증기화되고 과열된다. 투과 흐름(78)은 잔여 산소 및 증기의 혼합물을 함유한다. 제1 구체예에서 흐름(78)은 석탄 기화기(80)안으로 직접 주입된다.(흐름(102)으로 보이지만 아래 기술한 대로 흐름(100')의 추가는 없다)Vapor 72 is part of the process loop 73 that is integrated into the fuel cell / ion transfer module system. The water 74 supplied is pumped up to the pressure required by the pump 76, typically about 150-600 psia, and vaporized and superheated as in the recovery heat exchanger 66 to produce steam 72. do. Permeate stream 78 contains a mixture of residual oxygen and vapor. In the first embodiment the stream 78 is injected directly into the coal vaporizer 80 (although it appears to be a flow 102 but there is no addition of the stream 100 'as described below).

제2 구체예에서, 흐름(78)은 석탄 기화기(80)안으로 주입되는 제1 부분(82) 및 터빈(63)안에서 확장되는 제2 부분(84)으로 나뉘고 냉각되며 응축기(86)로 운반된다. 증기의 대부분은 응축기(86)안에서 응축되고 응축기 산출물(88)은 액상물 및 물이 포화된 산소(water saturated oxygen)의 혼합물이다. 물은 분리기(90)안에서 혼합물로부터 분리되고 재순환된 물(92)은 보충수(74)와 함께 혼합된다.In a second embodiment, the stream 78 is divided into a first portion 82 injected into the coal vaporizer 80 and a second portion 84 extending in the turbine 63, cooled and conveyed to the condenser 86. . Most of the steam is condensed in condenser 86 and condenser output 88 is a mixture of liquid water and water saturated oxygen. Water is separated from the mixture in separator 90 and recycled water 92 is mixed with make-up water 74.

분리기(90)로부터 제거된 물이 포화된 산소(water saturated oxygen)는 냉각기(96)안에서 냉각되고 압축기(98)안에서 압축된다. 압축된 흐름(100)은 회복 열교환기를 통하여 지나감으로써 가열된 흐름(100')으로 재열되고 흐름(102)을 생성하기 위하여 제1 투과 흐름 부분(82)과 혼합된다. 제1 부분(82) 및 흐름(102)을 보충하기 위한 압축된 흐름의 비율을 조정함으로써 석탄 기화기(80)의 원하는 증기 대 산소의 비가 얻어진다.Water saturated oxygen removed from separator 90 is cooled in cooler 96 and compressed in compressor 98. Compressed stream 100 is reheated to heated stream 100 ′ by passing through a recovery heat exchanger and mixed with first permeate flow portion 82 to create flow 102. By adjusting the ratio of the compressed stream to replenish the first portion 82 and the stream 102, the desired ratio of vapor to oxygen of the coal vaporizer 80 is obtained.

분리 생성(separate generation) 및 석탄 기화기로 증기 및 산소의 주입에 대하여 도3에 개략적으로 나타낸 시스템의 장점으로, 요구되는 이온 전달 막 면적의 감소 및 산소를 압축하기 위하여 요구되는 동력의 절약을 들 수 있다. 제2 높은 산소 함유 흐름을 가지고 증기 및 산소를 함유하는 흐름을 혼합함으로써 증기 대 산소 비의 보다 좋은 제어가 달성된다. 증기를 스위프 가스로 사용하는 것은,산소 압축 동력을 절약하는 동안, 기화기 압력보다 낮은 압력에서 연료 전지 이온 전달 막의 음극면을 작동하도록 허용한다.The advantages of the system outlined in Figure 3 for separation generation and injection of steam and oxygen into a coal vaporizer include the reduction of the required ion transport membrane area and the savings in power required to compress oxygen. have. Better control of the steam to oxygen ratio is achieved by mixing the vapor and oxygen containing stream with the second high oxygen containing stream. Using steam as the sweep gas allows to operate the cathode side of the fuel cell ion transport membrane at a pressure lower than the vaporizer pressure, while saving oxygen compression power.

선택적으로, 응축기(보이지 않음)는 낮은 증기 대 산소 비를 얻기 위하여 산출물(78)로부터 물을 제거하는데 사용될 수 있다. 그러나, 이와 같은 선택은 응축되는 산출물(78) 부분내에 함유된 에너지의 많은 양을 소비하여 시스템의 효율을 감소시킨다.Optionally, a condenser (not shown) can be used to remove water from the output 78 to obtain a low vapor to oxygen ratio. However, this choice consumes a large amount of energy contained in the portion of the output 78 to be condensed, reducing the efficiency of the system.

도4는 동력 및 질소의 공생성을 위하여 유용한 고체 산화물 연료 전지(10) 및 제1 이온 전달 반응기(11)를 갖는 집적된 시스템을 보여준다. 산소 함유 공급 가스(28)은 전형적으로 공기이며, 약45-165 psia의 압력으로 압축기(32)에 의하여 압축된다. 압축된 공기는 다음 회복 열교환기에 의하여 약200-700℃의 온도로 가열되고 연료 전지(10)의 제1 음극면(14)으로 도입된다. 부피 기준으로 산소 함유 가스 공급(28)내에 함유된 산소의 약 60-70%는 세라믹 막(12)을 통하여 전달되고 기체 상태의 연료(30)와 발열 반응한다. 제1 음극면(14)위에서 상대적으로 높은 압력을 유지시킴으로써, 상대적으로 높은 산소 부분압이 유지되어 산소의 상당한 부피 분율이 세라믹 막(12)을 통하여 전달되도록 하고 합리적인 전환 효율을 얻을 수 있도록 한다. 제1 양극면(16)에서 일어나는 상당한 발열 반응 때문에 과도한 온도 상승을 피하기 위항여 추가적인 냉각이 요구될 수 있다.4 shows an integrated system with a solid oxide fuel cell 10 and a first ion transfer reactor 11 useful for coexistence of power and nitrogen. The oxygen containing feed gas 28 is typically air and is compressed by the compressor 32 at a pressure of about 45-165 psia. The compressed air is then heated to a temperature of about 200-700 ° C. by the recovery heat exchanger and introduced into the first cathode surface 14 of the fuel cell 10. On a volume basis, about 60-70% of the oxygen contained in the oxygen-containing gas supply 28 passes through the ceramic membrane 12 and exothermicly reacts with the gaseous fuel 30. By maintaining a relatively high pressure on the first cathode surface 14, a relatively high oxygen partial pressure is maintained to allow a significant volume fraction of oxygen to be transferred through the ceramic membrane 12 and to achieve reasonable conversion efficiency. Due to the significant exothermic reaction occurring at the first anode surface 16, additional cooling may be required to avoid excessive temperature rise.

감소된 산소 함유를 갖는 보유물(38)은 음극면으로부터의 산소 제거를 완결하기 위하여 제1 이온 전달 반응기(11)로 운반된다. 산소는 산소-선택적인 이온 전달 막(44)을 통하여 전달되고 제2 양극면(50)에서 기체 상태의 연료(30')와 발열반응한다. 이와 같은 발열 반응으로부터 나오는 열은 음극면 공급 흐름(38')의 온도 상승에 의하여 가열부(39)내에 흡수된다. 이 때문에 흐름(38)은 열교환기(66) 또는 추가적인 냉각기(66')내에서 냉각된다. 보유 흐름(54)은 산소 약10ppm을 함유하고 회복 열교환기(66)에 의한 유용한 열의 제거 후에 고압 질소 생성물(104)과 같은 압력에서 운반될 수 있다. 선택적으로, 적어도 산소가 고갈된 흐름(54)의 일부분은 터빈(62)내에서 확장되고 저압 질소 생성물(106)로서 회수된다.Retentate 38 with reduced oxygen content is conveyed to the first ion transfer reactor 11 to complete oxygen removal from the cathode side. Oxygen is delivered through the oxygen-selective ion transport membrane 44 and exothermicly reacts with the gaseous fuel 30 'at the second anode surface 50. Heat from this exothermic reaction is absorbed into the heating part 39 by the temperature rise of the cathode surface supply flow 38 '. Because of this, the flow 38 is cooled in the heat exchanger 66 or additional cooler 66 '. Retention stream 54 contains about 10 ppm of oxygen and may be carried at a pressure such as high pressure nitrogen product 104 after removal of useful heat by recovery heat exchanger 66. Optionally, at least a portion of the oxygen depleted stream 54 is expanded in turbine 62 and recovered as low pressure nitrogen product 106.

기체 상태의 연료(30)의 제1 부분은 고체 산화물 연료 전지(10)의 제1 양극면(16)으로 운반된다. 기체 상태의 연료(30)의 제2 부분(30')은 제1 이온 전달 반응기(11)의 제2 양극면(50)으로 직접 운반될 수 있다. 바람직하게는, 연소 생성물(68)은 희석제로 알맞고 제2 양극면(50)을 세척하기 위하여 기체 상태의 연료(30)의 제2 부분과 접점(108)에서 결합된다. 가장 바람직하게는, 모든 기체 상태의 연료(30)는 고체 산화물 연료 전지(10)의 양극에서의 평균 연료 부분압을 증가시키기 위하여 제1 양극면(16)을 통과하며 이로써 높은 연료 부분압이 연료 전지 양극에서의 반응 속도를 증가시키고 이에 따라 분극 손실을 최소화하기 때문에 연료 전지의 효율을 극대화한다.The first portion of the gaseous fuel 30 is carried to the first anode surface 16 of the solid oxide fuel cell 10. The second portion 30 ′ of the gaseous fuel 30 may be conveyed directly to the second anode surface 50 of the first ion transfer reactor 11. Preferably, the combustion product 68 is bonded at the contact 108 with the second portion of the gaseous fuel 30 to clean the second anode surface 50 with a diluent. Most preferably, all gaseous fuel 30 passes through the first anode surface 16 to increase the average fuel partial pressure at the anode of the solid oxide fuel cell 10 such that a high fuel partial pressure is applied to the fuel cell anode. The efficiency of the fuel cell is maximized by increasing the reaction rate in the reactor and thus minimizing the polarization loss.

투과 가스(52)는 질소가 양극면 반응으로부터, 연료내에 함유된 미세한 양을 제외하고는, 배제되므로 실질적으로 수증기 및 이산화탄소이다. 원한다면 이산화탄소 생성물(109)은 물로부터 응축된 후에 회수될 수 있다.Permeate gas 52 is substantially water vapor and carbon dioxide since nitrogen is excluded from the anodic reaction, except for the minute amount contained in the fuel. If desired, carbon dioxide product 109 may be recovered after condensation from water.

도4에 개략적으로 보여지는 시스템은 산소 함유 가스 공급(28)안에 함유된 모든 산소가 기체 상태의 연료(30)와 발열 반응하므로 상당한 양의 초과 열을 발생시킨다. 소형 시스템 안에서 이 열은 상기 시스템으로부터 수출하기 위한 증기를 발생시키는데 사용될 수 있다. 대형 시스템에서 초과 열은 희미하게 보이는 랜킨 사이클(Rankine cycle)을 통하여 추가적인 동력을 생성하는데 이용될 수 있다. 랜킨 사이클에서, 초과 열은 열이 물을 과열 증기로 변화시키는 보일러로 향한다. 낮은 압력 증기로 증기가 팽창하여 터빈이 축 동력을 발생시키도록 구동시킨다. 열은 다음 응축기내에서 제거되며 증기는 포화액 저압까지 역전환된다. 펌프는 다음 보일러 압력까지 압력을 되돌린다. 랜킨 사이클(110)을 위한 열은 되도록 흐름(38 및/또는 54)으로부터 제거된다.The system shown schematically in FIG. 4 generates a significant amount of excess heat since all the oxygen contained in the oxygen-containing gas supply 28 exothermicly reacts with the gaseous fuel 30. In a compact system this heat can be used to generate steam for export from the system. In large systems, excess heat can be used to generate additional power through a faint Rankine cycle. In the Rankine cycle, excess heat is directed to the boiler where the heat turns water into superheated steam. The steam expands with low pressure steam and drives the turbine to generate axial power. The heat is then removed in the condenser and the steam is reversed to the saturated liquid low pressure. The pump returns the pressure to the next boiler pressure. Heat for Rankine cycle 110 is preferably removed from flow 38 and / or 54.

도5는 질소 및 산소의 공생성을 위한 시스템을 보여준다. 제2 이온 전달 반응기(112)는 고체 산화물 연료 전지(10) 및 제1 이온 전달 반응기(11)사이에 위치한다. 산소 함유 가스 공급(28)은 전형적으로 공기이며, 압축기(32)에 의하여 100-300 psia의 압력으로 압축되고 회복 열교환기(66)에 의하여 약300-800℃의 온도까지 가열된다. 가열된 산소 함유 가스 공급(28)은 제1 음극면(14)으로 운반된다. 체적 기준으로 산소 함유 가스 공급(28)내에 함유된 산소의 약20-25%가 기체 상태의 연료(30)와 발열 반응하기 위하여 세라믹 막(12)을 통하여 전달되고 부하(24)로 운반되는 전기력 및 열을 발생시킨다. 상기 열은 약900-1000℃의 범위내의 온도까지 부분적으로 산소가 고갈된 보유 흐름(38)의 온도를 상승시키는데 효율적이다.5 shows a system for the coexistence of nitrogen and oxygen. The second ion transfer reactor 112 is located between the solid oxide fuel cell 10 and the first ion transfer reactor 11. The oxygen containing gas supply 28 is typically air, compressed by a compressor 32 to a pressure of 100-300 psia and heated by a recovery heat exchanger 66 to a temperature of about 300-800 ° C. The heated oxygen containing gas supply 28 is conveyed to the first cathode surface 14. On a volume basis, about 20-25% of the oxygen contained in the oxygen-containing gas supply 28 is transferred through the ceramic membrane 12 and carried to the load 24 for exothermic reaction with the gaseous fuel 30. And generates heat. The heat is effective to raise the temperature of the partially depleted retention stream 38 to a temperature in the range of about 900-1000 ° C.

부분적으로 고갈된 산소 가스 흐름(38)은 제2 이온 전달 반응기(112)내의 산소 분리를 위한 유효 온도에 있고 남아있는 산소의 약 40-60%가 산소-선택적인 이온 전달 막(114)을 통하여 전달되고 산소 생성물(116)로 회수된다. 제2 이온 전달 반응기(112)로부터 방출된 낮은 산소 함유 보유 흐름(118)은 열교환기(120)로 열을 방출한다. 방출된 열은 외부 랜킨 동력 사이클을 위하여 사용될 수 있고 시스템의 다른 부분내의 열 결핍을 보충하기 위하여 회복 열교환기(66)로 운반되거나 폐기물로 방출된다. 감소된 온도(전형적으로는 300-700℃와 근사함)의 낮은 산소 함유 흐름(122)은 제1 이온 전달 반응기(11)의 제2 음극면(40)으로 도입된다. 전형적으로, 제1 이온 전달 반응기(11)의 제2 음극면(40)으로 향하는 공급 가스내의 산소 함유량은 체적 기준으로 2-7%이며 스위프 가스(적당한 소스는 연소 생성물로 구성되는 흐름(52)이 될 수 있다)가 제3 양극면에서의 산소 부분압을 감소시킴으로써 산소-선택적인 이온 전달 막(114)을 통한 산소 전달을 위한 구동력을 증가시키기 위하여 제2 이온 전달 반응기(112)의 제3 양극면(124)으로 도입되는지 여부에 의존한다. 만약 스위프 가스가 사용된다면 더 낮은 값이 얻어진다. 남아있는 산소는 산소-선택적인 이온 전달 막(44)을 통하여 전달되고 기체 상태의 연료(30) 또는 모든 연료가 연료 전지(10)의 양극으로 도입되는 경우, 연료 및 연소 생성물(60)의 혼합물과 제1 이온 전달 반응기(11)의 양극면(50)에서 발열 반응한다. 음극면(40)으로부터 나오는 보유 산소 고갈 가스 흐름(54)은 전형적으로 10parts/million보다 적은 양의 산소 함유량을 갖는다.The partially depleted oxygen gas stream 38 is at an effective temperature for oxygen separation in the second ion transfer reactor 112 and about 40-60% of the remaining oxygen is passed through the oxygen-selective ion transfer membrane 114. Delivered and recovered to oxygen product 116. The low oxygen containing retention stream 118 discharged from the second ion transfer reactor 112 releases heat to the heat exchanger 120. The released heat can be used for external Rankine power cycles and carried to recovery heat exchanger 66 or released as waste to compensate for the lack of heat in other parts of the system. A low oxygen containing stream 122 of reduced temperature (typically approximating 300-700 ° C.) is introduced into the second cathode surface 40 of the first ion transfer reactor 11. Typically, the oxygen content in the feed gas directed to the second cathode surface 40 of the first ion transfer reactor 11 is 2-7% by volume and is a sweep gas (suitable source consisting of combustion products 52). Third anode of second ion transfer reactor 112 to increase the driving force for oxygen transfer through oxygen-selective ion transfer membrane 114 by reducing the oxygen partial pressure at the third anode surface. It depends on whether it is introduced into face 124. If a sweep gas is used a lower value is obtained. Remaining oxygen is delivered through the oxygen-selective ion transfer membrane 44 and a mixture of fuel and combustion product 60 when gaseous fuel 30 or all fuel is introduced into the anode of fuel cell 10. And exothermic reaction at the anode surface 50 of the first ion transfer reactor (11). Retention oxygen depleted gas stream 54 exiting cathode surface 40 typically has an oxygen content of less than 10 parts / million.

상기 기술된 바와 같이, 산소가 고갈된 가스 흐름(54)은 고압 질소 생성물(104)로 회수될 수 있고 흐름(54')이 동력을 발생하는 가스 터빈(62) 또는 그 결합내에서 확장된 후에 저압 질소 생성물(106)로 회수될 수 있다.As described above, the oxygen depleted gas stream 54 may be recovered to the high pressure nitrogen product 104 and after the stream 54 'is expanded within the powered gas turbine 62 or a combination thereof. May be recovered as low pressure nitrogen product 106.

제2 양극면(50)으로부터의 생성 가스(52)는 이산화탄소(109) 및 수증기를 회수하기 위하여 냉각될 수 있다. 선택적으로, 생성 가스(52)는 제2 이온 전달 반응기(112)의 양극면(124)으로 운반될 수 있다. 이 경우 투과 흐름(116)은 이산화탄소, 산소, 및 수증기의 혼합물을 포함한다. 만약 응축과 같이 수증기가 제거된다면, 가스는 체적을 기준으로 약75-92%의 산소를 포함할 것이다. 순수한 산소는 이산화탄소의 분리와 회수 및 추가적인 건조 후에 얻어질 수 있다.The product gas 52 from the second anode surface 50 may be cooled to recover carbon dioxide 109 and water vapor. Optionally, product gas 52 may be conveyed to the anode side 124 of second ion transfer reactor 112. The permeate stream 116 in this case comprises a mixture of carbon dioxide, oxygen, and water vapor. If water vapor is removed, such as condensation, the gas will contain about 75-92% oxygen by volume. Pure oxygen can be obtained after separation and recovery of carbon dioxide and further drying.

여기에서 언급된 발명의 이점은 다음의 실시예로부터 보다 명확하게 될 것이다.The advantages of the invention mentioned herein will become more apparent from the following examples.

실시예 1Example 1

도6은 부하(24)에 대한 전기력, 생성 가스(52)로서 산소, 고압 질소(104) 및 저압 질소(106)를 공생성하기 위하여 고체 산화물 연료 전지(10), 제1 이온 전달 반응기(11) 및 제2 이온 전달 반응기(112)를 집적시킨 시스템을 개략적으로 보여준다. 질소 생성물 흐름은 할당되어서 가스 터빈(138)에 의하여 생성되는 동력은 단지 공기 압축기(32)를 구동시키기 위하여 충분하다.6 shows a solid oxide fuel cell 10, a first ion transfer reactor 11 to co-generate an electric force against a load 24, oxygen, high pressure nitrogen 104 and low pressure nitrogen 106 as product gas 52. ) And a system incorporating the second ion transfer reactor 112 is shown schematically. Nitrogen product flow is assigned so that the power generated by the gas turbine 138 is sufficient to drive the air compressor 32 only.

공기인 산소 함유 가스 공급(28)은 약155 psia의 압력까지 압축기(32)에 의하여 압축되고 회복 열교환기(66)내에서 예열된 후에 제1 양극면(14)로 운반된다. 그곳에서 제1 양극면(16)에서 일어나는 발열 반응에 의하여 발생되는 열 때문에 약950℃의 온도까지 더 가열된다. 고체 산화물 연료 전지(10)는 회수되는 전기력을 발생시키고 조절(conditioning) 후에 외부 전원 그리드(external power grid)와같은 부하(24)로 운반된다. 부분적으로 고갈된 산소 가스 흐름(38)의 산소 함유량은 체적 기준으로 약15%이다.The oxygen-containing gas supply 28, which is air, is compressed by the compressor 32 to a pressure of about 155 psia and is preheated in the recovery heat exchanger 66 before being conveyed to the first anode surface 14. There it is further heated to a temperature of about 950 ° C. because of the heat generated by the exothermic reaction occurring at the first anode surface 16. The solid oxide fuel cell 10 generates the recovered electrical force and is conveyed to a load 24 such as an external power grid after conditioning. The oxygen content of the partially depleted oxygen gas stream 38 is about 15% by volume.

흐름(38)은 제2 이온 전달 반응기(112)의 제3 음극면(126)으로 운반된다. 공급 공기내에 함유된 산소의 12%에 대응하는 산소는 제2 산소-선택적인 이온 전달 막(114)을 통하여 전달되어 보유 흐름(118)의 산소 함유량은 체적 기준으로 약6%의 산소를 함유한다. 흐름(118)은 상승된 온도에 있고 증기 흐름(130)으로 제1 과열기(128)내에서 열을 방출한다. 흐름(122)은 감소된 온도에 있으며 제2 음극면(40)으로 도입된다. 여기에서, 잔여 함유 산소는 전형적으로 연료 및 제1 이온 전달 반응기(11)의 제1 양극면(16)으로부터 오는 연소 생성물로 구성되는 반응적인 세척 가스 흐름(68)에 의하여 제거된다.Flow 38 is conveyed to the third cathode side 126 of the second ion transfer reactor 112. Oxygen corresponding to 12% of the oxygen contained in the feed air is delivered through the second oxygen-selective ion transfer membrane 114 such that the oxygen content of the retention stream 118 contains about 6% oxygen by volume. . Stream 118 is at an elevated temperature and releases heat in first superheater 128 to vapor stream 130. Flow 122 is at a reduced temperature and is introduced into second cathode surface 40. Here, the residual contained oxygen is removed by a reactive wash gas stream 68 which typically consists of fuel and combustion products coming from the first anode surface 16 of the first ion transfer reactor 11.

산소가 고갈된 흐름(54)은 고순도 질소 흐름이며 접점(132)에서 고압 질소 생성물(104)로 회수되는 제1 흐름(134) 및 압축기(32)를 구동시키는 터빈(138)내에서 팽창되는 제2 흐름(136)으로 분산 또는 분할된다. 흐름 (136) 및 (134) 사이의 분할이 적당하여 터빈(138)에 의하여 운반되는 동력은 터빈 및 압축기가 기계적으로 연결될 때 압축기(32)의 요구를 만족시킨다. 요구되는 흐름을 초과하는 흐름은 고압 질소 생성물(104)로 회수된다. 확장되는 제2 흐름(140)으로부터의 폐열은 저압 질소 흐름(106)으로 시스템으로부터 방출되기 전에 랜킨 사이클(110)에 의하여 회수된다.Oxygen-depleted stream 54 is a high-purity nitrogen stream and is expanded in turbine 138 that drives compressor 32 and first stream 134 that is recovered as high pressure nitrogen product 104 at contact 132. It is distributed or divided into two flows 136. The division between flows 136 and 134 is adequate so that the power delivered by turbine 138 meets the needs of compressor 32 when the turbine and compressor are mechanically connected. Flow in excess of the required flow is recovered to the high pressure nitrogen product 104. Waste heat from the expanding second stream 140 is recovered by the Rankine cycle 110 before being released from the system to the low pressure nitrogen stream 106.

기체 상태의 연료(30)는 회복 열교환기(66)내에서 가열되고 제1 양극면(16)으로 운반된다. 제1 양극면(16)에서, 기체 상태의 연료(30)는 전기력과 열을 생성하기 위하여 전달된 산소와 발열 반응한다. 제1 양극면(16)을 나가는 투과 흐름(68)은 과도한 불연소 연료 및 연소 생성물을 함유하고 부분적으로 산소가 결핍된 가스 공급(122)으로부터 잔여 산소를 제거하기 위한 반응 세척 흐름으로 작용하기 위하여 제1 이온 전달 반응기(11)의 제2 양극면(50)으로 도입된다. 제2 양극면으로부터의 투과물(144)은 주로 연소 생성물을 함유한다.(이산화탄소 및 수증기) 그리고 회복 열교환기(66)내에서 유용한 열을 회수한 후에 방출된다.The gaseous fuel 30 is heated in the recovery heat exchanger 66 and carried to the first anode surface 16. At the first anode surface 16, the gaseous fuel 30 exothermicly reacts with the delivered oxygen to produce electrical force and heat. The permeate stream 68 exiting the first anode surface 16 is intended to serve as a reaction wash stream to remove residual oxygen from the gas supply 122 containing excess unburned fuel and combustion products and partially oxygen deficient. It is introduced to the second anode surface 50 of the first ion transfer reactor 11. Permeate 144 from the second anode surface mainly contains combustion products (carbon dioxide and water vapor) and is released after recovering useful heat in recovery heat exchanger 66.

선택적으로, 기체 상태의 연료(30)는 종래의 부재(element)에 의하여 압축되고 제1 양극면(16) 및 제2 양극면(50)은 다음 제1 및 제2 음극면(14 및 40)과 거의 같은 압력으로 작동된다. 만약 이것이 행하여지면 양극면의 연소 생성물은 증가된 이산화탄소의 하류에서의 회수를 위한 압력에서 운반될 수 있다. 또는 만약 이산화탄소 공생성물을 원하지 않으면 제2 고압 질소 흐름(136)에 추가되고 팽창된다. 이것은 생성물(104) 또는 추가적인 동력의 수출로서 추가적인 고압 질소의 회수를 가능하게 한다.Optionally, the gaseous fuel 30 is compressed by a conventional element and the first anode surface 16 and the second anode surface 50 are then first and second cathode surfaces 14 and 40. It is operated at about the same pressure as If this is done the combustion products on the anode side can be carried at a pressure for recovery downstream of the increased carbon dioxide. Or, if no carbon dioxide coproduct is desired, is added to the second high pressure nitrogen stream 136 and expanded. This allows for the recovery of additional high pressure nitrogen as export of product 104 or additional power.

제3 양극면(124)은, 펌프(76)에 의하여 공급수(74)를 약 1000 psia까지 펌핑하고 그것을 증기(130)로 전환하는 보일러/히터(146)로 운반함으로써 발생된 스위프 가스(이 구조에서는 증기)에 의하여 세척된다. 증기는 다음 고압 터빈(150)내에서 약150 psia의 압력으로 부차적인 팽창을 하는 동안 수분 응축을 피하기 위하여 충분한 온도까지 제2 과열기(148)내에서 과열된다.The third anode surface 124 is a sweep gas generated by pump 76 supplying water 74 to about 1000 psia by pump 76 and conveying it to boiler / heater 146 which converts it into steam 130 In the structure). The steam is then superheated in the second superheater 148 to a temperature sufficient to avoid moisture condensation during secondary expansion at a pressure of about 150 psia in the high pressure turbine 150.

팽창된 증기(130)는 제1 과열기(128)내에서 재열되고 제3 양극면(124)을 세척하는데 사용된다. 이것은 산소 회수를 개선하고 산소 전달을 위한 구동력을 증가시킨다. 증기 회로에 대한 상기의 적용은 미국 특허 출원 번호 제08/972,202호에 보다 자세히 개시되어 있다.The expanded vapor 130 is reheated in the first superheater 128 and used to clean the third anode surface 124. This improves oxygen recovery and increases the driving force for oxygen delivery. The above application to the steam circuit is described in more detail in US patent application Ser. No. 08 / 972,202.

흐름(78)은 약20 psia의 산소 부분압을 가지고 약150 psia의 압력에서 저압 증기 터빈(152)으로 운반된다. 팽창된 산출물(154)은 16 psia의 압력에 있으며, 그 다음 제2 과열기(148)내에서 냉각되어 증기(130)를 과열시키기 위하여 요구되는 열을 공급한다. 냉각되고 팽창된 산출 흐름(156)은 함유된 물의 대부분이 응축하는 응축기(158)로 들어가고 분리기(90)로부터 생성 가스(52)로서 산소의 회수를 가능하게 한다. 재순환된 물(92)은 펌프(76)로 되돌아가기 위한 공급수와 함께 결합함으로써 증기 회로를 완성하기 위하여 1000 psia의 압력으로 되돌아간다.Flow 78 is conveyed to low pressure steam turbine 152 at a pressure of about 150 psia with an oxygen partial pressure of about 20 psia. The expanded output 154 is at a pressure of 16 psia and is then cooled in the second superheater 148 to provide the heat required to overheat the steam 130. Cooled and expanded output stream 156 enters condenser 158 where most of the water contained condenses and enables recovery of oxygen as separator gas 52 from separator 90. The recycled water 92 is returned to a pressure of 1000 psia to complete the steam circuit by combining with the feed water to return to the pump 76.

표1은 도6에서 보여지는 시스템을 모델링하기 위하여 이용되는 입력 변수를 기재한 것이다.Table 1 lists the input variables used to model the system shown in FIG.

매개 변수parameter 값(value)Value 도6의 지시 번호Instruction number of Fig. 6 공기 흐름Air flow 8.33 MMNCFH8.33 MMNCFH 2828 공기 압축기 방출 압력Air compressor release pressure 155 psia(4 압축 단계)155 psia (4 compression stages) 3232 공기 압축기 효율Air compressor efficiency 85%(단열효율)85% (insulation efficiency) 3232 SOFC 온도SOFC temperature 950℃950 ℃ 1010 SOFC 효율SOFC efficiency 60%60% 1010 뜨거운 가스 터빈입구 압력Hot gas turbine inlet pressure 150 psia150 psia 138138 뜨거운 가스 터빈입구 온도Hot gas turbine inlet temperature 950℃950 ℃ 138138 뜨거운 가스 터빈배기 압력Hot gas turbine exhaust pressure 16 psia16 psia 138138 고압 증기 터빈의 입구 압력Inlet pressure of high pressure steam turbine 1,000 psia1,000 psia 150150 고압 증기 터빈의 입구 온도Inlet temperature of high pressure steam turbine 430℃430 ℃ 150150 저압 터빈의 입구 압력Inlet pressure of low pressure turbine 150 psia150 psia 152152 저압 증기 터빈의 입구 온도Inlet temperature of low pressure steam turbine 900℃900 ℃ 152152 저압 증기 터빈의 배기 압력Exhaust pressure of low pressure steam turbine 16 psia16 psia 152152 증기 응축 압력Steam condensing pressure 14.7 psia14.7 psia 158158 생성된 증기Generated steam 303M lbs/hr303M lbs / hr 130130

상기 시스템에 대한 계산된 결과는 표2에 기재되어 있다.The calculated results for this system are shown in Table 2.

매개 변수parameter 값(value)Value 도6의 지시 번호Instruction number of Fig. 6 1기압에서의 산소 생성물Oxygen product at 1 atmosphere 1,000MNCFH 57% Rec. of O2in Air1,000 MNCFH 57% Rec. of O 2 in Air 5252 9.86기압에서의 질소 생성물Nitrogen product at 9.86 atmospheres 2,990 MNCFH2,990 MNCFH 104104 발생된 순출력Generated net power 98,100 KW98,100 KW 3636 요구되는 열Heat required 711 MM BTU/hr711 MM BTU / hr 시스템system 열 속도Heat rate 7,247BTU/KW hr7,247 BTU / KW hr 시스템system 질소 압축을 위한 적당한 열 속도Suitable heat rate for nitrogen compression 6,766BTU/KW hr6,766 BTU / KW hr 6666 7KW/1,000NCFH에서 분리를 위한 적당한 열 속도Suitable heat speed for separating from 7KW / 1,000NCFH 6,344BTU/KW hr6,344 BTU / KW hr 112112

표2의 결과들은 종래의 시스템과 비교하여 우수한 산소 회수를 얻는 동안, 사이클내에서 채택된 상대적으로 완만한 피크(peak) 온도에도 불구하고 실현되는 열 속도에 대한 매우 매력적인 성능 포텐셜을 보여준다. 더 큰 이익으로서, 공기 중에 함유된 질소의 상당량이 압력에서 운반된다.The results in Table 2 show a very attractive performance potential for the heat rates realized in spite of the relatively gentle peak temperature adopted in the cycle, while obtaining good oxygen recovery compared to conventional systems. As a further benefit, a significant amount of nitrogen contained in the air is carried at pressure.

실시예 2Example 2

도7은 본 발명에 따른 또 다른 집적된 시스템을 개략적으로 보여준다. 이 시스템은 특히 산소 및 이산화탄소의 공생성에 대한 선택과 함께 필수적으로 산소가 유리된(oxygen-free) 질소의 생성을 위하여 특히 효과적이다. 표3 아래에서 표현된 매개변수를 이용하여 고체 산화물 연료 전지(10)는 공기 압축기(162)를 구동시킬 충분한 동력을 운반되도록 만들어진다.7 schematically shows another integrated system according to the invention. This system is particularly effective for the production of oxygen-free nitrogen, which is essentially oxygen, with the choice of the coexistence of oxygen and carbon dioxide. Using the parameters represented below in Table 3, the solid oxide fuel cell 10 is made to carry sufficient power to drive the air compressor 162.

바람직하게는 공기인 산소 함유 가스 공급(28)은 약155 psia의 압력까지 공기 압축기(162)에 의하여 압축된다. 압축된 공기는 다음 회복 열교환기(66)에 의하여 약800℃까지 예열되고 고체 산화물 연료 전지의 제1 음극면(14)으로 도입된다. 기체 상태의 연료(30)는 제1 양극면(16)으로 도입되고 세라믹 막(12)을 통하여 전달되는 산소 이온과 발열 반응하고 열, 전기, 및 연소 생성물과 가스 상태의 연료의 혼합물인 양극면 흐름(68) 발생시킨다. 발생된 전기력은 공기 압축기(162)를 구동시키는 전기 모터(164)를 구동시키는데 이용된다.The oxygen-containing gas supply 28, which is preferably air, is compressed by the air compressor 162 to a pressure of about 155 psia. The compressed air is then preheated to about 800 ° C. by the recovery heat exchanger 66 and introduced into the first cathode surface 14 of the solid oxide fuel cell. The gaseous fuel 30 enters the first anode surface 16 and exothermicly reacts with oxygen ions delivered through the ceramic membrane 12 and is a mixture of heat, electricity, and combustion products and gaseous fuel. Generate flow 68. The generated electric force is used to drive the electric motor 164 which drives the air compressor 162.

고체 산화물 연료 전지(10)를 나가는 부분적으로 산소가 고갈된 보유 흐름(38)은 약950℃의 온도에 있다. 체적 기준으로, 공기에 함유된 산소의 약12%가 제1 양극면(16)에서 기체 상태의 연료(30)와의 반응에 의하여 소비된다. 부분적으로 산소가 고갈된 흐름(38)은 제2 이온 전달 반응기(112)의 제3 음극면(126)으로 통하게되고 체적 기준으로 남아있는 산소의 약60%가 제2 산소-선택적인 이온 전달 막(114)을 통하여 전달된다. 흐름(38)내에 함유된 산소의 상당한 부분의 제거 및 포텐셜 회수를 증대시키기 위하여 제3 양극면(124)은 제1 양극면(16), 제2 양극면(50) 또는 양자의 결합의 연소 생성물로 스위프된다. 스위프 가스는 산소 회수 및/또는 산소 전달을 위한 구동 포텐셜을 증가시키기 위하여 제3 양극면(124)에서 산소 부분압을 감소시킨다.The partially oxygen depleted retention flow 38 exiting the solid oxide fuel cell 10 is at a temperature of about 950 ° C. On a volume basis, about 12% of the oxygen contained in the air is consumed by the reaction with the gaseous fuel 30 at the first anode surface 16. The partially oxygen depleted stream 38 is directed to the third cathode surface 126 of the second ion transfer reactor 112 and about 60% of the remaining oxygen on a volume basis is the second oxygen-selective ion transfer membrane. Passed through 114. The third anode surface 124 is a combustion product of the first anode surface 16, the second anode surface 50, or a combination of both to increase the removal and substantial recovery of a significant portion of the oxygen contained in the stream 38. Is swept The sweep gas reduces the oxygen partial pressure at the third anode surface 124 to increase the driving potential for oxygen recovery and / or oxygen delivery.

제3 음극면(126)으로부터의 보유 흐름(118)은 체적 기준으로 약6%의 산소를 함유한다. 흐름(118)은 열교환기(166)내에서 냉각되고 감소된 온도 흐름(122)을 생성하여 제1 이온 전달 반응기(11)내의 하류 흐름으로 발생되는 반응열을 흡수하는 열흡수 저장조(168)로서 작용한다. 열교환기(166)내에서 낮은 산소 함유 보유 흐름(118)으로부터 방출된 열은 수출 또는 다른 사용을 위하여 흐름(170)의 온도를 상승시키기 위하여 사용될 수 있다.Retention flow 118 from third cathode surface 126 contains about 6% oxygen by volume. Stream 118 acts as a heat absorption reservoir 168 that cools in heat exchanger 166 and generates a reduced temperature stream 122 to absorb the heat of reaction generated by the downstream flow in first ion transfer reactor 11. do. The heat released from the low oxygen containing retention stream 118 in the heat exchanger 166 may be used to raise the temperature of the flow 170 for export or other use.

감소된 온도 흐름(122)은 제2 음극면(40)으로 운반되고 상기 제2 음극면(40)에서 함유된 산소의 나머지는 산소-선택적인 이온 전달 막(44)을 통하여 전달되고 제2 양극면(50)에서 기체 상태의 연료/연소 생성물의 혼합물(68)내에 함유된 기체 상태의 연료와 반응한다. 제2 음극면(40)으로부터 제거된 산소 고갈 가스 흐름(54)은 10ppm이하의 산소를 함유하고 유용한 열의 회수 후에, 고압 질소 생성물(104)로 운반될 수 있다. 기체 상태의 연료(30)는 회복 열교환기(66)내에서 예열되고 제1 양극면(16)으로 운반되고 제1 음극면(14)으로부터 세라믹 막(12)을 통하여 전달된 산소와 반응한다. 기체 상태의 연료(30)는 또한 제1 산소 전달 반응기(11)내에서 요구되는 연료를 함유하고 있기 때문에, 고체 산화물 연료 전지(10)내의 기체 상태의 연료의 평균 부분압은 효율을 증대시키기 위하여 상승될 수 있다. 나가는 투과 흐름(68)은 연소 생성물에 의하여 희석되는 기체 상태의 연료를 함유하고 반응 세척의 의하여 제2 음극면(40)으로부터 세라믹 막(44)을 통하여 전달되는 산소를 제거하기 위하여 제1 이온 전달 반응기(11)의 제2 양극면(50)으로 들어간다. 나가는 투과 흐름(144)은 연소 생성물(수증기 및 이산화탄소의 혼합물)을 함유하고 제2 이온 전달 반응기(112)의 제3 양극면(124)을 세척하기 위한 스위프 가스로서 유용하다. 제2 이온 전달 반응기(112)로부터 나가는 투과 흐름(78)은 연소 생성물 및 산소의 혼합물을 함유한다. 회복 열교환기(66)내에서 유용한 폐열을 회수한 다음에는 응축기(158) 및 분리기(160)는 대부분의 불순물이 이산화탄소인, 체적 기준으로 산소의 약75%를 함유하는 저순도 산소 생성 가스(52)를 회수하는데 이용된다. 만약 필요하다면, 이산화탄소는 하류 공정에 의하여 제거되고 산소는 회수된다. 재순환된 물(92)은 적당하게 방출된다. 만약 산소 또는 이산화탄소를 원하지 않으면 흐름(78)은 회복 열교환기(66)내에서 유용한 열을 회수한 후에 또한 버려질 수 있다. 표3은 도7에 개략적으로 보여지는 시스템에 대한 입력 매개 변수를 나타낸다.The reduced temperature flow 122 is conveyed to the second cathode surface 40 and the remainder of the oxygen contained in the second cathode surface 40 is transferred through the oxygen-selective ion transport membrane 44 and the second anode At face 50, it reacts with the gaseous fuel contained in the gaseous fuel / combustion mixture 68. Oxygen-depleted gas stream 54 removed from the second cathode surface 40 may contain up to 10 ppm of oxygen and may be conveyed to the high pressure nitrogen product 104 after recovery of useful heat. The gaseous fuel 30 is preheated in the recovery heat exchanger 66 and transported to the first anode surface 16 and reacts with oxygen transferred from the first cathode surface 14 through the ceramic membrane 12. Since the gaseous fuel 30 also contains the fuel required in the first oxygen transfer reactor 11, the average partial pressure of the gaseous fuel in the solid oxide fuel cell 10 rises to increase efficiency. Can be. The outgoing permeate stream 68 contains a gaseous fuel that is diluted by the combustion products and transfers first ions to remove oxygen delivered from the second cathode surface 40 through the ceramic membrane 44 by reaction washing. Enter the second anode surface 50 of the reactor 11. Outgoing permeate stream 144 contains combustion products (a mixture of water vapor and carbon dioxide) and is useful as a sweep gas for cleaning third anode surface 124 of second ion transfer reactor 112. Permeate stream 78 exiting second ion transfer reactor 112 contains a mixture of combustion products and oxygen. After recovering the useful waste heat in the recovery heat exchanger 66, the condenser 158 and separator 160 contain a low purity oxygen generating gas 52 containing about 75% of oxygen on a volume basis, where most of the impurities are carbon dioxide. ) Is used to recover. If necessary, carbon dioxide is removed by downstream processes and oxygen is recovered. Recycled water 92 is suitably discharged. If no oxygen or carbon dioxide is desired, flow 78 may also be discarded after recovering the useful heat in recovery heat exchanger 66. Table 3 shows the input parameters for the system shown schematically in FIG.

매개 변수parameter 값(value)Value 도6의 지시 번호Instruction number of Fig. 6 공기 흐름Air flow 126,000NCFH126,000NCFH 2828 압축기 방출 압력Compressor discharge pressure 150 psia150 psia 162162 압축 단계의 수Number of compression stages 33 162162 단열 압축기 효율Adiabatic compressor efficiency 85%85% 162162 SOFC 효율SOFC efficiency 60%60% 1010 SOFC 작동 온도SOFC operating temperature 950℃950 ℃ 1010

표3의 입력 매개 변수를 이용한 계산 결과는 표4에서 도표화된다.The calculation results using the input parameters in Table 3 are tabulated in Table 4.

매개 변수parameter 값(value)Value 도7에서의 지시번호Instruction number in FIG. 10 ppm 02 미만에서의 질소생성물Nitrogen products below 10 ppm 02 100,000 NCFH100,000 NCFH 104104 질소 생성물 압력Nitrogen product pressure 140 psia140 psia 104104 질소 회수Nitrogen recovery 100%100% 104104 포텐셜 산소 부생성물Potential oxygen by-products 75.9% 순도에서 함유되는 6,120 NCFH6,120 NCFH contained in 75.9% purity 5252 부생성물 압력Byproduct pressure 14.7 psia14.7 psia 5252 산소 회수Oxygen recovery 61%61% 5252 수출을 위한 포텐셜 흐름Potential flow for export 2,900 lbs/hr2,900 lbs / hr 170170 요구되는 연료Fuel Required 천연 가스의5,100 NCFH5,100 NCFH of natural gas 3030

도7에서 보여지는 시스템의 장점은 고체 산화물 연료 전지(10) 및 제2 이온 전달 반응기(112)를 세척하기 위한 제1 이온 전달 반응기(11)로부터의 연소 생성물의 형태를 갖는 연료 희석제의 유용성(availability)에 의하여 효율이 향상된다는 것이다. 이것은 질소 및 산소의 높은 회수율을 가능하게 한다. 비집적된 분리 시스템(압축기에 전력을 제공하는 분리되는 연료 전지 또는 독립적인 이온 전달 막)은 덜 효율적인 연료 이용의 결과를 발생시키는 차가운 단면 온도 차이 손실 때문에 양 시스템을 위한 공기 압축 동력 및 큰 에너지 비용을 제공하는 것을 요구하는 더 큰 연료 전지 때문에 분리되는 공기 및 연료 회로를 위한 추가적인 자본 지출과 자본 및 에너지 비용에 의하여 부담된다.The advantage of the system shown in FIG. 7 is the availability of fuel diluents in the form of combustion products from the first ion transfer reactor 11 for cleaning the solid oxide fuel cell 10 and the second ion transfer reactor 112. availability). This allows for a high recovery of nitrogen and oxygen. Non-integrated separation systems (separate fuel cells or independent ion transfer membranes that provide power to the compressor) allow for air compression power and large energy costs for both systems due to cold cross-sectional temperature loss losses resulting in less efficient fuel utilization. Because of the larger fuel cells that require to provide the additional capital expenditure and capital and energy costs for separate air and fuel circuits.

본 발명의 구체적인 특징은 각각의 특징이 상기 발명에 따른 다른 특징들과 결합될 수 있기 때문에 편의상 1이상의 도면에서 보여진다. 선택적인 구체예는 당해 기술 분야의 기술자에 의하여 생각될 수 있으며 특허 청구 범위내에 포함되는 것으로 의도된다.Specific features of the invention are shown in one or more figures for convenience, as each feature may be combined with other features according to the invention. Alternative embodiments are contemplated by one of ordinary skill in the art and are intended to be included within the scope of the claims.

본 발명은 고체 산화물 연료 전지 및 적어도 하나의 이온 전달 반응기를 이용하여 산소 함유 가스(전형적으로 공기)를 고체 산화물 연료 전지의 음극면으로 운반하고 가스 상태의 연료를 양극면으로 운반하여 음극면으로부터 전달된 산소 이온이 양극면에서 발열 반응시키고, 이온 전달 반응기를 상기 고체 산화물 연료 전지와 효율적으로 집적시키기 위하여 회복 열교환기로 폐열을 효과적으로 시스템내로 흡수하고 양극면의 세척을 통하여 산소 이온의 원활한 전달을 달성함으로써 시스템 효율을 극대화할 수 있으며 산소, 이산화탄소, 질소 생성물을 분리하여 회수할 수 있는 효과를 갖는다.The present invention utilizes a solid oxide fuel cell and at least one ion transfer reactor to deliver oxygen-containing gas (typically air) to the cathode side of the solid oxide fuel cell and to deliver gaseous fuel to the anode side from the cathode side. The oxygen ions are exothermicly reacted at the anode side, and the waste heat is efficiently absorbed into the system by a recovery heat exchanger to efficiently integrate the ion transfer reactor with the solid oxide fuel cell, and the smoothing of the oxygen ions is achieved by washing the anode side. The system efficiency can be maximized and oxygen, carbon dioxide and nitrogen products can be separated and recovered.

Claims (10)

(a) 제1 음극면 및 제1 양극면을 갖는 고체 산화물 연료 전지를 제공하고;(a) providing a solid oxide fuel cell having a first cathode surface and a first anode surface; (b) 내부에 산소-선택적인 이온 전달 막이 배치되도록 하는 제1 이온 전달 반응기를 제공하고 상기 산소-선택적인 이온 전달 막은 제2 음극면 및 제2 양극면을 갖고;(b) providing a first ion transfer reactor having an oxygen-selective ion transfer membrane disposed therein, the oxygen-selective ion transfer membrane having a second cathode side and a second anode side; (c) 상기 제1 음극면과 상기 산소 함유 가스 흐름을 접촉시키고 상기 제1 양극면과 상기 제1 기체 상태의 연료 흐름을 접촉시키고;(c) contacting the first cathode surface with the oxygen-containing gas flow and contacting the first anode surface with the first gaseous fuel flow; (d) 상기 제1 음극면부터 상기 제1 양극면까지 상기 산소 함유 가스 흐름의 제1 산소 부분을 전달하고;(d) delivering a first oxygen portion of the oxygen-containing gas flow from the first cathode surface to the first anode surface; (e) 상기 제1 양극면에서 상기 제1 기체 상태의 연료 흐름과 상기 제1 산소를 반응시키고 상기 제1 양극면부터 상기 제1 음극면까지 전자의 흐름을 발생시키고;(e) reacting the first gaseous fuel flow with the first oxygen on the first anode surface and generating a flow of electrons from the first anode surface to the first cathode surface; (f) 전기력으로서 상기 전자의 흐름을 회수하고;(f) recovering the flow of electrons as an electric force; (g) 제1 보유 흐름으로서 상기 산소 함유 가스 흐름의 나머지를 상기 제1 음극면부터 상기 제2 음극면까지 향하도록 하고;(g) directing the remainder of the oxygen-containing gas stream from the first cathode surface to the second cathode surface as a first retention flow; (h) 상기 제1 보유 흐름을 상기 제2 음극면과 접촉시키고 상기 제2 음극면부터 상기 제2 양극면까지 제2 산소 부분을 전달하고; 그리고(h) contacting the first retention flow with the second cathode surface and transferring a second portion of oxygen from the second cathode surface to the second anode surface; And (i) 상기 제1 음극면, 상기 제1 양극면, 상기 제2 음극면, 및 상기 제2 양극면중의 적어도 하나로부터 상기 생성 가스 흐름으로서 가스 흐름을 회수하는;(i) recovering a gas flow as the product gas flow from at least one of the first cathode surface, the first anode surface, the second cathode surface, and the second anode surface; 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기력 및 산소 함유 흐름 가스와 제1 기체 상태의 연료 흐름으로부터 생성 가스 흐름을 발생시키기 위한 방법.And a flow of generated gas from the electric and oxygen containing flow gas and the fuel flow in the first gaseous state. 제1항에 있어서, 상기 산소 함유 가스 흐름이 공기를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1 wherein the oxygen containing gas stream comprises air. 제2항에 있어서, 상기 제1 음극면과 접촉하기에 앞서 상기 공기를 압축하는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 2 wherein the air is compressed prior to contacting the first cathode surface. 제3항에 있어서, 상기 생성 가스 흐름으로서 산소를 상기 제2 양극면으로부터 회수하는 것을 특징으로 하는 방법.4. The method of claim 3, wherein oxygen is recovered from the second anode surface as the product gas stream. 제4항에 있어서, 연소 생성물을 발생시키기 위하여 상기 제2 음극면으로부터 나오는 보유 가스 흐름을 제2 기체 상태의 연료 흐름과 반응시키는 것을 특징으로 하는 방법.5. A method according to claim 4, characterized in that the holding gas flow coming from the second cathode surface is reacted with the fuel flow in the second gaseous state to generate combustion products. 제5항에 있어서, 상기 연소 생성물이 터빈을 구동시키기 위하여 이용되는 것을 특징으로 하는 방법.6. The method of claim 5 wherein the combustion product is used to drive a turbine. 제2항에 있어서, 회복 열교환기가 상기 흐름을 상기 제1 및 제2 음극면 및 양극면 중의 적어도 하나와 접촉한 후에 적어도 하나의 흐름으로부터 상기 공기 및 상기 고체 산화물 연료 전지의 상류에 있는 상기 제1 기체 상태의 연료 흐름으로 열을 전달하는 것을 특징으로 하는 방법.3. The method of claim 2, wherein the first heat exchanger is upstream of the air and the solid oxide fuel cell from at least one flow after a recovery heat exchanger contacts the flow with at least one of the first and second cathode and anode surfaces. Transferring heat to a gaseous fuel stream. 제2항에 있어서, 상기 제2 양극면을 상승된 압력에서 증기로 스위핑(sweeping)함으로써 상기 제2 양극면으로부터 나가는 투과 가스 흐름이 증기 및 산소의 혼합물을 함유하는 것을 특징으로 하는 방법.3. The method of claim 2, wherein the permeate gas stream exiting the second anode surface contains a mixture of steam and oxygen by sweeping the second anode surface with steam at elevated pressure. 제8항에 있어서, 상기 제2 양극면으로부터의 상기 투과 가스 흐름내의 증기 대 산소의 비를 석탄 기화에 유효한 몰 비로 조절하는 것을 특징으로 하는 방법.10. The method of claim 8, wherein the ratio of vapor to oxygen in the permeate gas stream from the second anode surface is adjusted to a molar ratio effective for coal vaporization. 제9항에 있어서, 상기 조절 단계가 상기 제2 양극면으로부터의 상기 투과 가스 흐름을 제1 부분 및 제2 부분으로 나누고, 상기 제2 부분을 냉각하고, 상기 제2 부분으로부터 물을 응축시키고, 상기 제2 부분으로부터 남아있는 가스를 상기 투과 가스 흐름의 압력으로 역 압축시킨 다음 상기 제1 부분 및 상기 제2 부분을 재결합시키는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 9, wherein the adjusting step divides the permeate gas flow from the second anode surface into a first portion and a second portion, cools the second portion, condenses water from the second portion, Back compressing the gas remaining from the second portion to the pressure of the permeate gas stream and then recombining the first portion and the second portion.
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